太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏。
薄膜电池由于理论效率高、材料消耗少、制备能耗低等被称为第二代太阳能电池技术。尤其是在柔性衬底上制备的薄膜电池,具有可卷曲折叠、不怕摔碰、重量轻、弱光性能好等优势,未来应用前景广阔。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池易形成良好的背电极和高质量的PN结,且较容易制成柔性组件。目前,CIGS薄膜太阳能电池的实验室转换效率已达21.7%,组件全面积转换效率已接近16%,其产业化技术也在逐步完善。随着此技术大规模生产后良品率提升,国产化改进优化后生产成本降低,将越来越具有竞争力。此外,具有超高转换效率的砷化镓太阳能电池,凭借着其技术先进性,在特殊的应用场景具备很大的发展潜力,但是目前由于成本偏高,大规模的应用需要快速实现成本的降低。
据博思数据发布《2016-2021年中国薄膜太阳能电池行业深度调研与市场调查报告》表明:2009年,中国薄膜太阳能电池产量增长较快,主要是2008年投产企业较多,众多薄膜太阳能电池企业生产步入正常轨道。2009年,中国薄膜太阳能电池产量达263MW;2010年,中国薄膜电池产量为380MW,同比增长44.5%;2011年,中国薄膜太阳能电池产量达565MW。2012年中国薄膜太阳能电池产量为400MW;2013年中国薄膜太阳能电池产量达到了260MW,2014年中国薄膜太阳能电池产量达到了300MW,2015年中国薄膜太阳能电池产量达到了458MW。
中国的薄膜生产商在很大程度上要依靠外国的供应商,这有可能导致一些主要的原材料供不应求,例如一些目标材料、导电玻璃和硅烷气体。德国贺利氏(Heraeus)公司供应中国目标材料超过60%。在导电玻璃方面,日本的NSG集团和美国AFG工业公司占据中国相当大的市场份额。
薄膜电池的广泛应用也有市场障碍,当前多晶硅缺料的问题正在缓解,价格也大幅下降,这势必冲击各类薄膜电池在成本上的优势。此外,资料显示,薄膜太阳能电池的设备投资,几乎是晶体硅电池设备投资额的10倍,筹资难度增高。中国国内薄膜电池产业起步更晚,受生产设备和技术瓶颈的制约,产业发展一直缓慢。
薄膜太阳能电池生产设备复杂昂贵,尤其是关键设备,更是高达上千万美元,长期以来一直被欧洲、美国和日本的企业垄断。目前,生产设备制造成本占我国薄膜太阳能电池发电成本的七成左右,这导致电力上网价格比传统电价高出一大截,其产业化瓶颈十分明显。
薄膜电池中的CIGS电池较具发展潜力。薄膜涂层电池由于低成本特点,转换效率不断提升,未来市场份额势必会明显增长,薄膜电池行业增速将继续高于晶硅电池行业增速。目前主要是材料成本较高,需要配置追日聚光系统,因此应用受限。
薄膜电池行业在最近几年才成规模,不论技术水平、行业成熟度、供应链等均处于逐渐成熟的过程中。首先从供应链看,薄膜电池产业链也处于新建过程中,部分原材料;其次,其设备接近专业设备,价格高昂,设备商的利润空间很高,因此生产和检测设备需重点关注。
薄膜太阳能电池还需要进一步降低成本和提高效率。技术和设备成本是制约的关键。应当实现薄膜产业高端装备国产化,扩大薄膜电池的产量,以规模化带动成本降低。
根据国家统计局数据测算,到2020年,我国城乡房屋建筑面积约为890亿平方米,以东、南、西墙墙面积的15%、屋顶面积的10%计,直接市场规模超过10万亿元,间接市场规模达30万亿元,相当于我国汽车市场的3-5倍。即使按照10%的转化率和太阳能平均每年1300个发电小时计算,装机规模相当于368个葛洲坝或45个三峡,可替代全社会30%左右的年用电需求。而对于薄膜发电技术来说,凭借其独特的优势,在光伏建筑一体化(BIPV)领域是极具市场竞争力的。
虽然薄膜电池尚未形成产业化,在转化效率方面也低于晶硅电池(美国MiaSole15.5%、德国Manz14.6%),但CIGS薄膜电池转化效率以1-1.5%/年提升。因此,五年后薄膜电池转化效率有望超过晶硅电池,加之规模化的形成,届时综合成本将低于晶硅电池,将会成为市场的主流选择。
从近几年薄膜电池的发展势头来看,铜铟镓硒是其中唯一增长的薄膜类电池。薄膜电池材料消耗少、制备能耗低、组件生产可在一个车间内完成,成本优势明显。如果薄膜电池组件效率与晶硅电池相差无几,其性价比将是无可比拟的。在柔性衬底上制备的薄膜电池,具有可卷曲折叠、不拍摔碰、重量轻、弱光性能好等优势,将来的应用前景将会更加广阔。加之光伏建筑一体化等分布式光伏的应用,预计5-10年后,薄膜电池将占据30%以上的市场份额。
