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薄膜光伏:历经浮沉,或触底回升

返回列表 来源: 发布日期: 2022.07.05 浏览次数:

薄膜份额两起两落,BIPV或驱动新一轮扩张

薄膜太阳能电池(以下简称薄膜电池)是晶硅电池之后的第二代太阳能电池,起源于上世纪70年代,其在全球光伏电池出货量中占比最高曾达30%以上,是光伏发展历史中具有浓墨重彩的一部分。薄膜电池按材料种类不同可分为硅基(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓(GaAs)薄膜电池等,其中碲化镉薄膜电池组件是商业化最成功的一种,也是在全球光伏组件出货量占比前十中的唯一一种薄膜电池。


市场份额两起两落,整体受晶硅持续压制。根据FraunhoferISE的数据统计,我们认为薄膜电池在全球光伏市场上的份额经历了四轮较大的周期:


1)1980-1989年,硅基薄膜电池的兴起带动薄膜电池市场份额快速提升;


2)1990-2003年,硅基薄膜电池由于效率过低发展受限,市场份额持续下滑;


3)2004-2009年,美国FirstSolar(FSLRUS)实现碲化镉低成本量产,薄膜电池市场份额有所回升;


4)2010至今,随着中国光伏企业的晶硅成本快速下降且效率大幅领先,薄膜电池失去低成本优势,市场份额被不断压缩。

在这四轮周期中,薄膜电池的市场份额最高曾达到30%以上,而2020年已降至5%左右,2021年预计仍将进一步下降。在薄膜电池中,起初由硅基薄膜电池占据主导地位,在FirstSolar开始大规模量产后碲化镉的出货量及占比快速提升,2020年全球碲化镉薄膜电池出货量6.1GW,占薄膜电池总量的78%。

薄膜电池具有更高的理论转化效率,但目前实验和量产最高效率低于晶硅。以碲化镉为例,由于其具有远超晶硅的吸光能力,且由于碲化镉薄膜具有一个约1.5eV的直接带隙,其光谱响应与太阳光谱的更加匹配,根据《CdTe-BasedThinFilmSolarCells:Past,PresentandFuture》,其理论最高转化效率可达32%,比晶硅电池高3pct左右。


然而,目前碲化镉薄膜电池的实验室和量产最高转化效率分别为22.1%和19.7%(均由FirstSolar创造);而作为对比,晶硅电池的转化效率则在始终高于碲化镉的基础上仍在持续提升,目前实验室最高效率已达27.6%,量产效率上晶科能源(688223CH)的TOPCon电池量产转化效率已超过24.5%。其他薄膜电池中,当前实验室最高转化效率为CIGS的23.4%(由SolarFrontier创造),与晶硅电池的效率同样有不小差距。

碲化镉是商业化最成功的薄膜电池

FirstSolar一家独大,引领行业艰难中前进。虽然碲化镉的转化效率并不是薄膜电池中最高的,但得益于FirstSolar在量产技术上的持续突破(过去十年平均每年组件转化效率提升0.5pct以上),碲化镉成为了最主流的薄膜电池。


2006年起碲化镉在薄膜电池中占比超过50%,此后呈逐渐上升趋势,2020年达78%。FirstSolar凭借其规模及技术优势持续优化单位制造成本,因此得以在行业内长期与晶硅抗衡,其碲化镉薄膜电池组件产量占全球薄膜电池组件总产量95%以上,也是全球光伏组件出货量前十中的唯一一家薄膜电池企业。


近年来全球光伏市场火热,FirstSolar也接连宣布扩产计划,预计到2023产能将增长至14.5GW,其碲化镉组件产量和全球市占率也自2017年开始持续回升,2021年分别达7.9GW和4%,带动薄膜电池组件的全球市场份额触底反弹。

碲化镉薄膜电池的基本结构由五个部分组成,包括玻璃衬底(入射太阳光)、起到透光和导电作用的TCO层(前部接触层)、n型窗口层(形成异质结)、p型吸收层(CdTe)、背接触层和背电极(降低CdTe与金属电极接触势垒并连接外电路)。


近年来,碲化镉薄膜电池转化效率的由此前的16.7%大幅提升至22.1%主要得益于两项应用创新,一是在吸收层中引入了1,使吸收层的带隙缩小至1.4eV,因此可以吸收更多的低能光子;二是将窗口层中的CdS替换成了MgZnO,降低了载流子损耗。


掺杂或为未来提升转化效率的方向。目前限制碲化镉提升效率的主要因素在于CdTe的带隙使得其开路电压无法达到最佳范围(900mV以内),而开路电压主要取决于少数载流子(少子)造成的载流子复合,可以通过掺杂其他物质进行改变。增加掺杂的浓度,可以减少平衡时少子的浓度从而降低开路电压;但另一方面,增加掺杂的浓度会减少少子的扩散长度,即减少其寿命,且不利于载流子的收集。因此,掺杂是目前碲化镉薄膜电池研究中的难点,也是提升其效率的关键因素之一。

碲化镉技术壁垒较高,沉积方法是核心工艺。碲化镉薄膜电池生产环节中难度较高的有两个环节,分别是TCO玻璃生产和碲化镉沉积。TCO玻璃生产分为超白浮法玻璃生产和TCO镀膜两步,其中TCO使用的超白浮法玻璃相比普通建筑用的超白浮法玻璃对透光性要求更高,TCO镀膜的工艺也存在一定难度,目前具有量产能力的公司仅有日本旭硝子、板硝子和国内的金晶科技等少数几家公司。

而在碲化镉吸收层沉积是碲化镉电池生产的核心环节,其沉积工艺也是决定最终组件性能的关键。目前碲化镉沉积的主要技术路线有气相输运沉积(VTD)、常压物理气相沉积(APPVD)、近距离升华法(CSS)和电沉积法等,其中VTD和CSS被实践证明最适合于工业化生产。VTD是FirstSolar的独家专利技术,CSS则是公开技术。国内龙焱能源均采用CSS技术,并已开发了部分自主知识产权技术,实现部分核心设备国产化。

较高的技术壁垒也是造成薄膜电池行业参与公司较少的主要原因之一,FirstSolar也凭借着其独家专利技术在行业内一家独大。近年来国内几家公司通过国外收购与自主研发等路径,已掌握较为成熟的碲化镉薄膜电池生产技术,量产效率也逐渐向世界领先水平靠拢;而上游优质的国产TCO玻璃供应业有望与之形成一定产业链协同效应。

建筑光伏齐发力,BIPV竞品仍需验证

晶硅龙头相继入局,薄膜竞争力尚待验证。2021年7月,晶科能源发布了其以晶硅组件为主体的透光/全黑/彩色幕墙BIPV产品,转化效率可达20.4%;隆基股份(601012CH)亦发布了其光伏幕墙产品“隆锦”。我们可以看到头部晶硅组件厂商已开始积极布局幕墙BIPV产品,他们作为行业龙头在规模、渠道等方面具有明显优势,而在技术上晶硅路线的效率也是一直领先于薄膜路线。

我们仍以前文BIPV模型为基础,将其中的碲化镉薄膜组件替换成转化效率为20%的晶硅组件,衰减率按单晶硅第一年3%,由于晶硅的弱光性弱于碲化镉,我们假设其发电效率为薄膜组件的60%-90%。考虑到晶硅组件价格相对稳定且透明(以1.85元/W为参考),我们通过调整薄膜组件价格及晶硅发电效率两个参数,观察到在当前价格下,晶硅发电效率为薄膜的60%左右时两者才具有相同的经济性;当晶硅发电效率为薄膜的90%时,薄膜的价格需要比晶硅便宜23.7%(即薄膜价格为290元/平)时两者才具有相同的经济性。

薄膜龙头超前布局产能,静待需求释放。规模化生产及持续的降本增效一直是光伏组件领域竞争的关键,目前全球具有GW级以上产能的薄膜电池组件公司仅有FirstSolar和日本的SolarFrontier(未上市)两家,其中FirstSolar以7.9GW(截至2021年底)的碲化镉薄膜电池组件产能产能遥遥领先于其他公司;而受于竞争压力,SolarFrontier已于2021年10月宣布将于2022年6月停止其铜铟镓硒薄膜电池的生产。FirstSolar在其2021年年报中表示将继续扩大其产能,到2023年有望新增6.6GW,体现出其对光伏产业的持续看好以及对自身技术的强大信心。


国内公司中,成都中建材/中山瑞科/龙焱能源分别现有100/100/130MW碲化镉薄膜电池组件产能。考虑国内公司产品转换效率目前仍与晶硅差距较大,因此其目标市场以幕墙BIPV为主,屋顶BIPV为辅。其中,中国建材近年来已连续投资超过百亿建设多个GW级薄膜电池基地,产能规划超过5GW,龙焱能源也在积极寻找融资伙伴合作建厂。


时过境迁,先有何不同

目前全球碲化镉薄膜电池组件的主要应用市场仍为集中式光伏电站,FirstSolar通过不断提升的组件效率及规模化生产带来的低成本优势得以与晶硅的竞争;其他薄膜电池公司在效率差距较大的情况下亦未能实现量产,因此发展较为困难。然而,随着我国建筑节能率的提升以及超低能耗/零碳建筑的兴起,分布式光伏迎来蓬勃发展期,建筑光伏一体化(BIPV)也有望为薄膜电池带来发展新机遇。

2011年汉能薄膜太阳能电池制造基地正式投产,此后多年内又相继投产多个薄膜电池生产基地成为全球最大的薄膜太阳能企业,一度掀起了国内薄膜电池的投资热潮。然而,由于产品竞争力、需求等不及预期,不仅汉能面临破产危机,许多已开工的薄膜电池项目也步入停摆或终止状态。如今随着BIPV风口来袭,薄膜电池再次受到广泛关注,我们回顾行业最近几年发生的变化,总结有如下几点不同之处。

(1)政策支持力度加大,需求有望加快放量。2018年5月,发改委、财政部、国家能源局联合印发《关于2018年光伏发电有关事项的通知》,提出优化光伏发电新增建设规模、加快光伏发电补贴退坡,给我国光伏行业带来“急刹车”。受此影响,深赛格(000058CH)和凯龙股份(002783CH)接连公告暂停其碲化镉薄膜电池组件项目。我们在前文的测算中提到,薄膜电池BIPV的经济性仍较弱,其发展对政策扶持的依赖程度较大。

而自2020年9月我国明确提出双碳目标以来,BIPV和绿色建筑相关政策如雨后春笋般接踵而至,光伏行业发展再次进入新的阶段。2020年10月,中国光伏行业协会标准化技术委员会BIPV标准工作组正式成立;今年两会上,全国人大代表彭寿建议修订与完善BIPV标准,加速制定出台发电玻璃等新型光伏材料与建筑材料集成的光电建筑构件标准。我们认为BIPV行业标准体系有望逐步建立,推动行业向规范化、规模化、高质量发展。

建筑节能标准的提升是强制性文件,目前建筑节能降碳的措施已基本采用,建筑光伏是既能提升发电增益,也是降低综合能耗的重要举措。结合前文的经济性来看,目前北京、南京、广州、西安等城市有专门的BIPV补贴政策,补贴标准由0.3-0.5元/kW不等,我们认为这些发达城市高端建筑需求旺盛,加上相关政策支持,有望率先成为BIPV的突破口。

(2)量产效率上台阶,降本空间可期待。国内薄膜电池组件缺乏竞争力的核心原因是转化效率较低而成本较高,且关键生产设备受国外垄断。2018年之前,国内碲化镉薄膜电池代表公司龙焱能源的量产转化效率仅为13%,而FirstSolar及主流晶硅组件已可达18%以上。近年来,国内公司通过加大力度自主研发以及组件国际化团队等方式在技术上取得突破,量产转化效率持续提升至16%以上,缩小了与领先水平的差距。

以FirstSolar为参考,其产能由75MW提升至1GW以上时,单位成本由1.23美元/W下降至0.87美元/W,降幅29%;由1.2GW提升至3GW以上时,单位成本由0.87美元/W下降至0.42美元/W,降幅达52%;由3.8GW提升6.3GW时,单位成本下降至0.2美元左右,再次减半。虽然单位成本同样还受技术、产品尺寸、原材料等多方面影响,但我们认为由规模带来的降本空间仍值得期待。

(3)跨产业深入合作,BIPV进入项目落地阶段。我们认为BIPV或沿着“试点-落地-推广”的进程发展,过去几年内我们可以看到有国家电投总部大楼智慧能源项目、北京冬奥会国家速滑馆项目等多个具有代表性的示范项目顺利完成,充分说明了薄膜电池组件BIPV的可行性和实用性。我们认为频繁的战略合作布局说明了产业链多方合力推动BIPV的决心,BIPV项目有望步入实际性的落地阶段。从订单上,江河集团2022年以来合计公告中标超过5亿元的光伏幕墙订单,也进一步验证了行业发展的趋势。

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