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“双碳”目标助力BIPV快速发展,碲化镉薄膜沉积技术已实现国产化突破

方路 2021-11-12 1382 0

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BIPV(光伏建筑一体化)是实现建筑行业碳减排目标的重要路径,隆基股份、特斯拉等知名新能源厂商都在推出相关解决方案。BIPV光伏组件可分为晶硅类和薄膜两大类,其中薄膜电池因为其透光性好,并具有较好的弱光性和温度系数,使其在高温环境和弱光下表现更好,其可生产柔性组件的特点也适合各类建筑外形。碲化镉薄膜光伏电池是目前商业化程度最高的薄膜电池,大规模生产技术掌握在美国First Solar公司手中,国内龙焱能源和中建材已实现国产化突破。


绿色低碳是“十四五”期间重要发展目标,根据中国建筑节能协会数据,2018年我国建筑全生命周期能源消耗总量为21.47亿tce(吨标准煤),占全国总量46.5%,建筑全生命周期碳排放量49.3亿吨CO2,占全国碳排放总量的51.3%。

建筑光伏将有助于建筑领域减少碳排放。建筑光伏按方式可分为BAPV(在现有建筑上安装)和BIPV(光伏建筑一体化)。BIPV的重点在于光伏组件建材化,在外形上与建筑浑然一体。BIPV凭借其在安全性、观赏性、便捷性和经济性方面的优势,有望成为未来建筑光伏主要发展方向。

从光伏电池的发展历程来看,硅基电池属于第一代,是目前光伏市场的主流产品。薄膜类光伏电池属于第二代,是当前最具备发展前景的,包括碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)和砷化镓(GaAs)薄膜电池。第三代从形态来说也属于薄膜类电池,包括钙钛矿、染料敏化、有机太阳电池、量子点电池等,其中钙钛矿最有希望实现产业化。

薄膜类BIPV光伏电池具备更佳的弱光性和温度系数,碲化镉薄膜光伏电池是建筑光伏幕墙的理想材料

目前BIPV光伏组件可分为两大类:晶体硅和薄膜类。薄膜类光伏电池又分为三大类:硅基类薄膜光伏电池、多元化合物类薄膜光伏电池、有机类薄膜光伏电池。其中薄膜类电池相比晶体硅电池虽然转换效率低,但透明度可调,并具有较好的弱光性和温度系数,使其在高温环境和弱光下表现更好。根据龙焱能源数据,在低光照地区,同样装机量的碲化镉薄膜电池发电量反而比硅基多发5.4%。

薄膜电池既可以按照传统工艺制成常见的标准化刚性组件,也可以根据需要生产柔性电池用于曲面屋顶,还可以做成可携带的折叠式电源,供给计算机、通信等移动设备使用。碲化镉电池是目前薄膜类电池中商业化程度最高,其理论效率达32%,实验室组件效率已达22%,规模化量产达到18%,成本可与晶硅产品抗衡。另外还可以与建筑材料结合用于BIPV市场。由于全球产能较低,碲化镉光伏电池预计未来一段时间内将持续处于产能扩张阶段。

碲化镉薄膜光伏电池活性材料消耗少,工艺流程短

薄膜光伏虽然效率低于硅基电池,但由于活性层用量少,生产成本反而可能会更低。原因在于其活性材料吸光能力强。按照材料学分类,晶体硅属于间接带隙半导体,而薄膜电池的活性材料几乎全部是直接带隙半导体,其吸光能力较硅晶体硅高出至少两个数量级,所以薄膜电池的活性材料用量仅有晶硅的1%左右即可实现几乎一样的吸收能力。当前占市场90%以上的硅基电池活性层约180μm至200μm,而薄膜电池则仅为1μm至2μm左右,并可以做成柔性组件配合建筑幕墙进行定制化生产。

薄膜电池的生产线非常集约,晶硅电池的产业链包括多晶硅、硅片、电池片和组件四大工序,除最后的组件外其他三个环节均为重资本投入,GW投资超越十亿元人民币,且流程高度复杂。相比之下,薄膜光伏电池生产自动化程度高,尽管薄膜电池当前GW产能投资高于晶体硅,但是规模化量产后可以快速降低。

 

图1:碲化镉薄膜光伏电池结构

(资料来源:五度易链行业研究中心整理)

碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池中起透光和导电的作用的是透明导电氧化物(TCO)薄膜。TCO薄膜在有效收集电池的电流同时,其高透和减反射的功能让大部分太阳光进入吸收层。TCO玻璃工艺主要分为超白浮法玻璃生产、TCO镀膜。超白浮法玻璃生产工艺难度较高,目前世界上主要供应商有日本旭硝子、美国PPG、法国圣戈班等,国内供应厂家目前仅金晶科技、南玻股份和信义。

碲化镉薄膜沉积方案是技术核心,目前中建材和龙焱能源拥有小规模完全自主知识产权生产线

沉积工艺是薄膜电池核心工艺环节,也是决定最终组件性能最关键的一步。薄膜的沉积技术有多种路线,其中气相输运沉积(VTD)技术和近距离升华(CSS)技术最适合于工业化生产。从全球碲化镉薄膜电池制造技术角度看,VTD是美国First Solar公司的独家垄断技术。CSS由于技术公开,是全球大部分企业都采用的技术。另外常压物理气相沉积(APPVD)技术由美国Solar Fields公司和其子公司德国Calyxo掌握。目前全球范围内有量产能力的碲化镉电池的企业仅有美国First Solar、德国Calyxo、中国的龙焱及中建材光电,其中能够大规模量产的碲化镉薄膜光伏组件的企业只有First Solar,其产量约占全球95%以上。

我国的龙焱能源目前掌握了包括其首创的改良型近距离升华沉积技术在内的多项核心产业化技术及相关生产设备设计制造能力,其碲化镉薄膜组件产品已获得包括欧洲TUV Nord、美国UL、中国金太阳、澳洲CEC列名,加州CEC等知名认证机构认证,拥有年产40MW碲化镉组件的全自主知识产权生产线。中建材方面,成都中建材在2018年4月已经投产拥有完全自主知识产权的80MW碲化镉发电玻璃生产线,除此之外,中建材(株洲)光电材料有限公司年产300兆瓦碲化镉薄膜发电玻璃生产线项目将于2021年12月正式完工。

结语

总体而言,薄膜电池经过多年技术积累,目前作为第二代光伏电池的碲化镉(CdTe)电池的成本已经有较强竞争力。在国产替代方面,由于薄膜电池行业的高技术壁垒和非标准化特性,其对传统晶硅电池的替代或者颠覆将是一个长期过程,但是以龙焱能源和中建材为代表的产业链上具有核心技术的企业值得持续关注。第三代光伏电池中钙钛矿电池目前在稳定性和量产方面还存在技术难点没有解决,但是获得的资本关注较多,因此其相关产业化技术突破值得期待。


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