十张图带你了解全球薄膜太阳能电池行业市场规模与发展前景分析 CdTe路线前景最好

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20 蔡志濠 • 2020-05-19 10:20:31  来源:前瞻产业研究院 E5120G0

不同技术路线薄膜太阳能电池效率发展情况

根据NREL(美国国家可再生能源实验室)公布的数据,目前薄膜电池已发展出十几种技术路线,其中发展势头最好的有碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、染料敏化电池和非晶硅电池。根据NREL的最新统计,上述几种电池的实验室最高转换效率已分别达到22.1%、23.4%、12.3%和14.0%。作为对比,晶硅电池的实验室最高转换效率为47.1%。目前CdTe、CIGS和非晶硅电池均已实现产业化,染料敏化电池的进程相对落后。

值得一提的是,近年来钙钛矿电池(Perovskite Solar Cell,PSC)异军突起,作为一种问世仅10年的新路线,其实验室最高转换效率已达29.1%,发展速度远远超过其他电池,已经成为光伏电池研究领域最闪亮的明星。

图表1:截至2020年4月不同技术路线太阳能电池实验室最高转换效率走势(单位:%)

图表2:截至2019年11月不同技术路线太阳能电池组件量产转换效率走势(单位:%)

注:NREL尚未公布2020年最新数据。

薄膜太阳能电池占太阳能电池份额较小 以CdTe为主

经过40多年的发展,目前全球薄膜电池的年出货量也达到GW量级,成为光伏市场的重要补充。根据CPIA的统计,2019年晶体硅太阳能电池依然是太阳能电池的主导产品,其产量占全部太阳能电池产量的比重为95.37%,薄膜电池产量占全部太阳能电池产量的4.63%。

从产量动态结构来看,1980年代由于硅基薄膜电池的兴起带动薄膜电池市场份额一度超过30%,但随着硅基薄膜技术路线遇到瓶颈,1990年代薄膜电池的总体份额持续滑落,2004年之后First Solar推动CdTe电池快速产业化,将市场份额再度推升至15%以上,随后由于多晶硅价格的崩盘大幅降低晶硅电池成本,近年来薄膜电池的份额再度萎缩。

图表3:2019年全球太阳能电池产量细分产品结构(单位:%)

根据CPIA的统计,2019年,由于First Solar公司碲化镉薄膜太阳膜电池产量大幅增长至5.7GW,全球三种主要薄膜太阳能电池中,碲化镉薄膜太阳膜电池产量最大,占全部薄膜太阳能电池产量的85.5%;其次是铜铟镓硒薄膜太阳能电池,占全部薄膜太阳能电池产量的13.3%;非晶硅薄膜太阳能电池占全部薄膜太阳能电池产量的1.2%。随着技术的发展,新兴太阳能电池近年来也有所发展,但整体来看,目前还不具备规模。

图表4:2019年全球薄膜太阳能电池产量细分产品结构(单位:%)

硅基薄膜电池技术遭遇瓶颈 产量逐年下降

随着碲化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜电池的兴起,硅基类薄膜电池产量近年来有逐年下降的趋势。根本原因是硅基薄膜转换效率技术遇到瓶颈,竞争力基本丧失,产量同比大幅下滑。根据中国光伏行业协会发布的数据,2018年,全球硅基薄膜电池产量约为0.1GW。据前瞻测算,2019年,全球硅基薄膜电池产量进一步下降至0.08GW。

图表5:2014-2019年全球硅基类薄膜电池产量(单位:GW)

硅基薄膜电池目前从产品性能与生产成本上相较晶硅电池无明显优势,并且技术提升空间有限,企业相继退出、减产。根据NREL公布的数据,2017年后,硅基薄膜太阳能电池最高转换效率记录再无进展,2015年后,硅基薄膜太阳能电池组件效率再无进展。国际主要的硅基薄膜电池厂商主要为日本的Sharp。目前我国涉及硅基薄膜太阳能电池的公司主要汉能控股公司、风帆股份、广东榕泰、天威保变和综艺股份等。

图表6:硅基薄膜太阳能效率最新进展(单位:%)

总的来说,目前硅薄膜太阳电池的最高转换效率较低(a-Si:14.0%,μc-Si:21.2%),市场处于萎缩状态。由于碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池和新兴太阳电池(Emerging Solar Cells)的发展,硅基类薄膜电池的前景蒙上了一层阴影。

CdTe薄膜太阳电池产量大幅增长 前景最好

CdTe薄膜太阳电池市场份额远低于晶硅电池,尤其是2012年以来,由于晶硅电池成本大幅下降,以First Solar为首的薄膜电池企业控制扩产速度,出货量增速趋于停滞,份额持续萎缩。但近年来随着新一代产品的成本大幅下降,CdTe电池出货量有望迎来又一轮的高速成长期。根据CPIA的统计,2018年,全球CdTe组件产量为2.7GW。2019年,First Solar公司组件产量大幅增长112%至5.7GW。

图表7:2014-2019年全球CdTe组件产量统计(单位:GW)

从全球来看,碲化镉是目前为止商业化最成功的薄膜电池。CdTe材料带隙宽度约1.5eV,与太阳光谱更匹配,其理论效率达32%,高于晶硅,降本潜力也很大。目前碲化镉电池的实验室效率已达22.1%,商业化组件效率达到19.0%,成本可与晶硅产品抗衡。此外,CdTe电池可以便捷地与建筑材料结合用于BIPV市场。鉴于以上优点,碲化镉电池的产能仍然处于扩张阶段,CdTe电池是未来几年发展前景最明确的薄膜电池技术。

图表8:全球CdTe电池能量转换效率提升情况统计(单位:%)

从国内来看,根据中国光伏行业协会的统计,2019年我国小面积CdTe电池(0.5mm2)实验室最高转换效率约19.2%。CdTe组件(面积为1200×600mm2)量产最高转换效率为15.9%,量产平均转换效率为14.6%,较2018年提升了0.6个百分点,2020年有望达到15.9%。

图表9:2020-2025年国内CdTe薄膜太阳能电池/组件转换效率变化趋势(单位:%)

CIGS路线受国内企业追捧 产能即将释放

从产业化角度来看,Solar Frontier的CIGS电池组件已经实现商业化量产,2017年实现冠军电池组件转换效率19.8%(7×5cm2)和19.2%(30×30cm2)。目前CIGS电池组件的生产成本可以达到0.40$/Wp。CIGS电池组件产业化技术的难点在于沉积薄膜厚度和元素计量比的均匀性,硒化的均匀性和大面积生产的均匀性、重复性和稳定性。在产业化进程中,与工艺相比设备的因素起更关键的作用。

近年来,我国企业主要采取海外并购取得知识产权,并大力引进国外成套产线技术,在CIGS电池组件制备方面取得了很大的进步。例如,凯盛科技并购德国Avancis的CIGS电池组件有效面积光电转换效率达到了16.4%;汉能子公司Solibro点源共蒸CIGS玻璃基底电池器件实验室效率22.9%,大面积组件效率达17.52%;神华集团合作伙伴Manz量产玻璃基底CIGS薄膜电池组件转换效率16%;尚越光电柔性CIGS薄膜电池组件效率15.3%。目前我国在产业技术进步方面面临如何实现引进技术的二次开发,在比较高的起点上实现CIGS产业技术的进一步提高。

2016开始神华集团、上海电气和德国Manz三方合作共同发展我国CIGS电池组件的产业化和解决持续的技术进步,其中通过Manz可以得到其合作伙伴ZSW的技术支持。ZSW的CIGS团队拥有先进的CIGS薄膜太阳能电池和组件制备技术,其CIGS薄膜太阳能电池转换效率达到22.6%,组件效率大于17%,PSC/CIGS两端叠层电池的转换效率达到24.6%。三方合资成立重庆神华薄膜太阳能科技有限公司,建设306MWp产能的CIGS电池组件生产线,利用Manz成熟技术发展CIGS电池组件产业化;合资成立神华(北京)光伏科技研发有限公司,建设44MWp产能的CIGS薄膜太阳能电池实验研究线,研究高效率光伏电池技术、工艺、整体解决方案;合资成立苏州曼兹新能源装备有限公司提供CIGS薄膜电池组件生产设备整厂解决方案。

根据CPIA的统计,2017年,全球铜铟镓硒薄膜电池产量为1.10GW;2018年,铜铟镓硒薄膜电池产量为0.87GW,出现较大幅度下滑,主要原因是:龙头企业Solar Frontier受日本本土光伏市场的影响,销售量和产量均出现下滑;中国薄膜制造企业在建CIGS薄膜项目大部分产能并未如期释放。据前瞻测算,2019年,全球铜铟镓硒薄膜电池产量小幅度回升至0.89GW。

图表10:2014-2019年全球铜铟镓硒薄膜电池产量情况(单位:GW)

CIGS产能未来主要在中国。CIGS薄膜电池近几年转换效率提升较快,国内己有汉能、中建材、国家能源集团等企业相继投入巨资进行薄膜电池产品的研发和产业化。截至2018年底,汉能陆续交付第三方CIGS产线公开产能数据约为4.5GW。中建材凯盛光伏宣称在安徽蚌埠、四川甘眉、河北秦皇弱、江苏江阴各建设年产能300MW生产线,其中蚌埠300MW已建成,计划2025年实现总产能lOGW,远期规划将形成全球20GW生产能力。到2019年上半年,由国家能源集团承担的国家住建部"CIGS太阳能薄膜发电技术在光伏建筑一体化中的应用研究"课题和在北京、江苏、广东、海南、四川等省市落地6个实体示范项目将陆续完工。2018年5月,锦江集团设计产能lGW、总投资规模75亿元的CIGS项目落户连云港,其中一期350MW。圣晖菜在江苏句容投资100亿元,建设lGW的CIGS生产线,一期已投资10亿元。中国的CIGS薄膜太阳能电池在建产能和规划产能大幅增长。

图表11:国内主要CIGS薄膜太阳能电池企业产能(单位:MW)

更多数据来请参考前瞻产业研究院《中国薄膜太阳能电池行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》,同时前瞻产业研究院提供产业大数据、产业规划、产业申报、产业园区规划、产业招商引资等解决方案。

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