光伏輔材之TCO玻璃簡析

一、概述TCO玻璃即透明導電氧化物鍍膜（TransparentConductiveOxides）玻璃，是平板玻璃表面通過物理或者化學鍍膜的方法均勻地鍍上一層透明的導電氧化物薄膜。TCO鍍膜導電玻璃主要應用于第二帶光伏電池碲化鎘薄膜電池及第三代光伏電池鈣鈦礦電池，由于非晶硅薄膜太陽能電池的半導體層幾乎沒有橫向導電性能，必須使用TCO玻璃作為前電級來有效地收集電池電流，所以TCO是鈣鈦礦電池不可或缺的組成部分。TCO玻璃作為鈣鈦礦電池的前電級、窗口材料和支撐材料，主要功能為：讓大部分太陽光進入吸收層，實現(xiàn)光電轉換；利用其導電性作為前電極，收集電池電流；為電池多層膜材料結構提供物理上的機械支撐。TCO玻璃按照導電氧化物的不同主要分為ITO（氧化銦錫）、FTO（摻氟SnO2）、AZO（摻雜鋁ZnO）三種；按照鍍膜工藝與原片生產是否同步，可分為在線鍍膜和離線鍍膜工藝，在線鍍膜主要應用CVD工藝（化學氣相沉積法），離線鍍膜主要應用PVD工藝（磁控濺射法）。鈣鈦礦電池對TCO玻璃的功能需求決定其性能要求，主要性能指標如下：1.光譜透光一般要求TCO玻璃的光譜透過率在80%以上，而且因為光伏電池的光譜響應波長范圍為400-1200nm，所以要求TCO玻璃具備全光譜透光性，在可響應波段內光透得越多能量轉化效率越高。2.導電率一般要求方塊電阻小于12Ω.cm3，方塊電阻越低電阻損失越小，導電性能就越好。3.霧度即光線散射能力，一般要求霧度值在11-15%。與普通行業(yè)用鍍膜玻璃要求膜層霧度越小越好不同，光伏電池需要TCO玻璃具有一定的絨面結構，使光以不同角度散射，增大光在太陽能電池中的光程，從而提高電池的光電轉化效率。TCO玻璃的絨面陷光結構的形成，主要有兩種方法：一種是溶膠凝膠法、化學氣相沉積法等在線鍍膜工藝直接鍍制帶有微觀粗糙度的膜層，粗糙度可以通過參數(shù)調控（主要是FTO玻璃）；二是離線鍍膜工藝鍍制膜層后進一步采用酸堿腐蝕法、激光加工法等方法制絨（ITO、AZO玻璃）。4.耐候性和耐久性薄膜太陽能電池壽命一般在20年以上，這也要求TCO玻璃有不低于此年限的使用期。5.均勻性膜層的性能均勻性主要包括光譜投射率和方塊電阻的均勻性，是保障電池輸出電壓、電流平衡穩(wěn)定的基本要求。除了鈣鈦礦外，建筑光伏一體化（BIPV）是薄膜太陽能電池的重要使用場景，對TCO玻璃的表觀均勻性（大面積顏色、膜層均勻性等）提出更高的要求，如不得有干涉條紋、膜層云朵等缺陷，如何提高大面積均勻性也是目前TCO玻璃的主要性能瓶頸之一。6.低成本光伏產品的最終競爭力評價以單位發(fā)電量的綜合成本衡量，而CTO玻璃是薄膜電池原材料成本的主要部分（1/3），薄膜電池為了提高競爭力對TCO玻璃有降本增效要求。二、工藝性能1.工藝目前，我國TCO玻璃處于起步階段，產品生產常用工藝為在線鍍膜CVD法，一般選用FTO作為膜層材料。在線鍍膜系統(tǒng)復雜，工藝優(yōu)化和控制難點主要體現(xiàn)在：一是生產良率，產品性能本身存在相互制約關系，膜層性能指標受多項因素影響，同時精準調控多變量才能實現(xiàn)性能最優(yōu)解；二是生產效率，在保障生產效率前提下較難提高反應氣體利用率與膜層均勻性。在線化學氣相沉積法（CVD）鍍膜一般是在浮法產線錫槽冷端或退火窯前端安裝鍍膜設備，以連續(xù)生產的高溫（400~700℃）、潔凈、快速拉引的玻璃帶為載體，通過原料氣體（前驅體）在高溫玻璃表面發(fā)生化學反應合成鍍膜膜層，再經過退火冷卻形成質地堅硬的膜層。在線CVD鍍膜優(yōu)勢在于：①物化穩(wěn)定性好，耐久性耐候性好，熱加工性好，高溫成膜，膜層原子與玻璃基板形成牢固共價鍵，黏合為玻璃的一部分，膜層牢固耐用（被稱為“硬膜”玻璃），物化性能穩(wěn)定，使用壽命更長。②鍍膜能耗低，直接利用浮法玻璃新鮮潔凈的表面和高溫環(huán)境；③不需要二次加工的搬運、傳輸、清洗、抽真空等工序，工序步驟較少，節(jié)省物理空間和人力成本；在線CVD鍍膜劣勢在于：①靈活性較差，直接與連續(xù)生產的原片端銜接，鍍膜工藝受浮法工藝條件限制，產品種類不如離線鍍膜豐富，例如膜層至少要耐400℃以上高溫，鍍膜原料多選用金屬氧化物、半導體材料，并且生產過程中參數(shù)無法隨時調整；②工藝控制和優(yōu)化難度大，玻璃帶傳輸速度快，鍍膜面積大。TCO膜層性能相互制約，膜層性能相互制約，工藝優(yōu)化難度較大。例如TCO玻璃透過率、導電性對氧空位、摻雜的要求相互矛盾，二者最優(yōu)性能不可兼得；又如霧度提高有時會大幅降低透光率，雖然霧度和透過率沒有直接對應關系，但霧度提高常常是建立在薄膜膜層增厚而引起表面粗糙度增加的前提下的，而薄膜厚度增厚影響可見光透過率。2.性能作為鈣鈦礦、碲化鎘的關鍵部件，TCO玻璃性能優(yōu)劣直接影響薄膜太陽能電池光電轉化效率以及在BIPV上的應用效果。浮法產線高溫環(huán)境限制下，TCO玻璃三種薄膜材料中僅FTO成熟兼容在線和離線兩種加工方式，在線加工方式的產品載流子遷移率更高、導電性更好。馮夢現(xiàn)在《二氧化錫透明導電薄膜研究進展》中列示了CVD制備FTO薄膜應達到的性能指標如下：電阻率5.8*10-4/Ω.cm、透明度92%、載流子遷移率28/cm2.V-1.s-1。TCO膜層性能膜層性能受多項因素影響，包括膜層結構設計、前驅體、氟摻雜量、催化劑、退火處理等。三、需求應用目前，薄膜電池主要的應用領域有碲化鎘、BIPV、鈣鈦礦及異質結。目前，BIPV及鈣鈦礦是主要的增量。碲化鎘薄膜主要是FISRTSOLAR在生產，國內除了龍焱和中建材外，生產廠家較少。1.鈣鈦礦鈣鈦礦電池是一類使用具有鈣鈦礦晶體結構的ABX3型鹵化物材料作為吸收層的太陽電池的總成。鈣鈦礦電池主要包括：（1）透明電極（TCO），接收從電池中傳輸?shù)碾娮踊蛘呖昭ǎ唬?）電子傳輸層（ETL），完成電子傳輸?shù)耐瑫r，阻隔空穴向陰極傳輸；（3）光吸收層，吸收光子生成載流子；（4）空穴傳輸層（HTL），完成空穴的傳輸同時阻止電子向陽極傳輸；（5）金屬電極，用于接收電子或空穴的電極結構。國內廠商在該領域做積極的產業(yè)化嘗試，現(xiàn)已規(guī)劃多條GW級產能。鈣鈦礦電池技術路線潛力大，國內廠商積極尋求產業(yè)化突破。當前鈣鈦礦在產產能約390MW，多為小、中試線，協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等多家企業(yè)均規(guī)劃了GW級產能建設，遠期規(guī)劃總和近25GW。單位用量方面，昆山協(xié)鑫光電2023年4月17日宣布2m*1m大面積、大尺寸商用鈣鈦礦組件轉換效率達16.2%，2023年效率目標為18%，考慮鈣鈦礦產業(yè)當前仍處在穩(wěn)定性、量產效率技術攻關階段，中性假設2023、2025年全行業(yè)量產平均效率水平為13.0%、17.0%，對應TCO玻璃單位用量分別為769、588萬平/GW，TCO玻璃在鈣鈦礦成本占比35-40%，目前市場單價55-70元/㎡，對應單GW產值3.5億以上。另外，鈣鈦礦前板需要TCO玻璃，背板為普通玻璃，生產1GW的鈣鈦礦電池，需要約711萬平米FTO玻璃。國內供貨商僅有大連艾潔旭和金晶。價格方面，3.2mmFTO玻璃，艾潔旭2022價格75，金晶報價60左右，利潤率大于50%。2.碲化鎘海外龍頭FirstSolar大幅擴產，國內中建材系等廠商加速布局產能。（1）海外，美國光伏裝機需求增長、IRA稅收抵免政策刺激下，美國碲化鎘龍頭FirstSolar大幅擴產，據FS2022年年報，2022年公司名義產能達9.8GW，組件產量9.1GW，規(guī)劃2023-2025年末名義薄膜電池產能分別達到16.0/20.1/20.6GW，當前擴產規(guī)劃主要針對印度、美國市場。據FS2023年度一季報，公司產品供不應求，未交付預定量已達到71.6GW，4月底訂單已排至2026-2027年交付。另一家美國碲化鎘電池廠商ToledoSolar當前年產能為100MW，2022年9月宣布擴充產能計劃，2027年產能將達2.8GW。（2）國內，在BIPV應用前景預期下，國內碲化鎘廠商加速產能布局。中建材及其旗下凱盛集團現(xiàn)已運行700MW產能，當前在全國多地規(guī)劃產能3.8GW；龍焱能源、中山瑞科在產產能130、100MW，龍焱能源計劃到2024年產能提升至630MW，中山瑞科規(guī)劃未來產能達到1GW；光伏玻璃龍頭企業(yè)福萊特也于今年2月宣布計劃投資1GW碲化鎘產能。據廣發(fā)投研預計，根據國內外企業(yè)產能規(guī)劃，預計到2025年海外企業(yè)碲化鎘電池產量達20.5GW，國內企業(yè)產量2.8GW。碲化鎘單位需求量，F(xiàn)irstSolar最新Series7產品效率最高達19.3%，廣發(fā)證券做中性假設2022年全行業(yè)平均效率水平為18.0%，2025年達19.5%，對應TCO玻璃單位用量分別為556、513萬平/GW。四、供給1.原片端TCO以超白浮法為原片基底進行鍍膜，超白浮法本身具有一定工藝技術壁壘，良率差異會帶來成本差異。目前，國內具備超白浮法產能的企業(yè)有8家，CR4約77%。從技術角度看，超白浮法玻璃的技術壁壘主要在于配料、澄清、存放環(huán)節(jié)。配料環(huán)節(jié)，要嚴格控制氧化鐵含量在0.015%以內，需要保證配合料的溫度和濕度以防結塊，需要采用先進的稱量系統(tǒng)和進口混合設備；澄清環(huán)節(jié)，由于熔融的超白浮法玻璃液導熱系數(shù)更高，熔窖池內垂直熱對流減弱，造成玻璃表面和內部氣泡數(shù)量增加，影響玻璃的成品率。調整時如果溫度把控不當，還會導致二次氣泡和耐材氣泡的生成；存放環(huán)節(jié)，超白玻璃比普通玻璃更容易發(fā)生霉變，主要由于其堿金屬氧化物含量更高，需要通過改進配方設計和退火制度，選用適應超白玻璃特性的專用防霉隔離粉來預防霉變。2.產品端海外市場方面，國外市場來看，F(xiàn)irstSolar擴產下板硝子供應存在不足，金晶科技有望填補缺口，供貨份額提升核心在于性能和成本。板硝子目前共有3條TCO玻璃產線（2條越南+1條美國），新建馬來西亞產線預計將于2024年3月投產，擴產速度不及FirstSolar，因此FirstSolar需要新供應商來填補缺口。金晶科技與FirstSolar長期合作配套研發(fā)，2018年雙方簽訂十年供貨協(xié)議，目前共有3條TCO玻璃產線（2條國內+1條馬來西亞），計劃2023年于國內新增1條TCO玻璃改造產線，可填補板硝子供應缺口。目前金晶科技TCO玻璃性能與板硝子NSGTEC7系以前產品接近，未來在性能上仍有較大的提升空間，供貨份額提升的核心在于產品性能的提升以及考慮海運費用下能否具備成本優(yōu)勢。目前國內市場TCO玻璃可供企業(yè)較少，主要以金晶科技和耀皮玻璃（2022年底收購艾潔旭大連）主，主要原因是：TCO玻璃認證難度大、周期長，需要下游客戶配套合作研發(fā)。據相關機構調研反饋，無相關基礎的玻璃企業(yè)從研發(fā)到批量供貨需耗時2-3年；薄膜電池尚未放量，國內旗濱集團及南玻A等企業(yè)在2010年前后均有TCO玻璃規(guī)劃，但當時主要下游碲化鎘企業(yè)國內產能尚小，又缺少鈣鈦礦電池的增量加持，所以直至當前并未進行TCO玻璃的生產；海外供應商板硝子并未對國內供貨，板硝子在國內未設工廠，海運下國內企業(yè)采購成本較高，并且板硝子主供FS并與其簽訂長協(xié)，導致國內企業(yè)難以買到高端的TCO玻璃。通過查詢上市公司公告得知，耀皮玻璃目前有1條800噸產線，出貨量較大（60-70%供應FirstSolar），技術和轉換效率為國內最佳，技術主要來自Plikington授權。金晶科技淄博建有2條500噸TCO玻璃產線，其馬來西亞工廠（1000噸）也在積極推進和FirstSolar等的認證和供貨工作。未來隨著薄膜電池放量，TCO玻璃定制化的屬性將使具備先發(fā)優(yōu)勢的企業(yè)更為受益玻璃定制化的屬性將使具備先發(fā)優(yōu)勢的企業(yè)更為受益。一方面，碲化鎘企業(yè)仍在不斷提升自身轉換效率，對TCO玻璃的性能要求將持續(xù)提升。另一方面，目前鈣鈦礦電池的技術路線仍在探索中，各家鈣鈦礦企業(yè)的生產工藝、材料選擇尚未定型，TCO玻璃企業(yè)需要與鈣鈦礦客戶共同配套研發(fā)，根