建筑建材行业“新基建”系列之四：薄膜电池：BIPV助推产业发展，材料环节最为受益

复盘薄膜电池发展历史和FirstSolar的成功经验 薄膜太阳能电池理论转化效率（基本在32%+）较晶硅电池（不足30%）更高，但在竞争过程中，其实际转换效率始终落后。在1980-1988年和2004-2019年这两个时间段内薄膜电池市场份额逐步提升，其核心在于制造成本的优势，同时伴随发电效率和使用寿命的持续提升，使得综合竞争力阶段性占优。 目前薄膜电池最主流的方向是碲化镉，First Sola占据全球95%的市场份额。总结其成功经验，发现关键因素在于：选择最有前景的技术路径、持续技术进步推动降本增效、友好的生存土壤、坚守现金流底线。 我国薄膜电池实验室理论效率已达国际第一梯队，但产业化应用仍处于起步阶段，选择合适的路径并找到稳定的应用场景，对于促进产业良性循环至关重要。 而钙钛矿薄膜电池理论转化效率更高，尤其HJT+钙钛矿叠层电池可进一步提升转换效率和降低生产成本，未来具备较大发展空间。 BIPV有望带动薄膜电池进入发展快车道，并将来的降本空间持续打开： BIPV可利用空间主要集中在屋顶和立面两个方向，屋顶光伏晶硅电池占据绝对优势，但更多采用光伏-建材模块形式，并不是BIPV的最终形态。诚然当前应用于屋顶的上述方式是主流途径和经济性最优解。但从城市空间而言，高层建筑立面面积逻辑上大于屋顶面积，意味着如果国家推动超低能耗建筑等路径，建筑立面发电也将是大势所趋和有效补充，而薄膜电池将是建筑立面发电较好的选择。 主要由于：弱光性好；温度系数较小；可满足业主对于建筑物美观和异形的要求，且是典型的BIPV最终形态之一。此外，从建筑消防安全角度来看，薄膜电池更小的热斑效应优势应受到格外重视。 我们认为未来薄膜电池的“主战场”将主要在公共设施和商业建筑领域外立面。 经测算，仅在该领域至2030年全国薄膜电池累计装机空间将达到38GW，市场空间超700亿元。 我们以国际当前最先进的FirstSolarSeries6组件为例，测算其在建筑立面商业化应用的投资回收周期约为3.8年，极具吸引力。回收期较短的核心原因，是我们用传统玻璃幕墙建造成本进行了部分抵消，使得增量成本并不高。长期来看，薄膜电池产业链高度集成，原材料成本占比不高，未来仍有很大降本增效空间。 在政策催化下，BIPV未来发展前景广阔，但从稀缺性及投资价值角度而言，材料环节或优于建造环节，具体如薄膜电池及相关配套产品等领域。 优先建议关注材料板块：推荐洛阳玻璃—已受托管理控股股东凯盛集团的部分碲化镉、铜铟镓锡薄膜电池资产，未来有望继续深耕薄膜电池领域。建议关注金晶科技—TCO导电膜玻璃作为钙钛矿、碲化镉薄膜电池上游关键辅件，具有较高技术壁垒，公司在该领域技术已处于国内领先，并投产国内首条产线。建议关注旗滨集团、南玻A—积极拓展光伏领域业务，超白浮法未来有望加快向薄膜电池领域应用。 其次考虑建筑施工板块，但弹性和价值量或稍弱：建议关注中国建筑兴业、江河集团—国内幕墙领域领军企业，具备更强的施工能力以满足BIPV的设计和施工要求，正在加大与薄膜电池企业合作力度，未来或受益于产业发展红利。 风险分析：政策推进不及预期；下游接受度不及预期；技术进步不及预期；行业标准出台不及预期。 投资聚焦 我们的创新之处 1、薄膜电池和晶硅电池竞争过程中，实际转换效率始终落后，但在部分时间段综合竞争力阶段性占优，核心在于制造成本的优势，同时伴随发电效率和使用寿命的持续提升。我们总结国内薄膜电池产业化发展瓶颈：1）集成化特性限制产业推动力量不足，制造工艺仍在不断改善；2）晶硅电池凭借较低的成本和更高的转化效率，已牢牢占据下游主流市场；3）尚未出现稳定的应用场景，以吸引资源快速投入。技术路线特点决定薄膜电池的转换效率上限更高，未来具备更大降本潜力。因此找到自身优势应用领域（如建筑立面），避开和晶硅电池的正面交锋，也是薄膜电池突破发展瓶颈的重要途径。 2、我们以国际当前最先进的FirstSolarSeries6组件为例，测算其在建筑立面商业化应用的投资回收周期。仅考虑增量成本，碲化镉薄膜电池系统实际初始投资成本为287元/平米，回收周期约为3.8年。回收期较短的核心原因，是我们用传统玻璃幕墙建造成本进行了抵消（因为不安装薄膜电池光伏系统仍需要安装玻璃幕墙），因此增量成本并不高。当然以上测算均为最乐观情况下的假设，实际上国内厂家薄膜电池组件的发电效率偏低、成本偏高，且并未考虑组件衰减以及运维费用，同时安装薄膜电池较普通玻璃幕墙费用也应更高。 3、我们对我国薄膜电池市场空间进行了测算，认为未来薄膜电池的主战场将主要在公共设施和商业建筑领域外立面。至2030年，薄膜电池组件可铺设面积有望达到2.5亿平米，假设平均装机量为150w/平米，累计装机空间为38GW，市场空间约718亿元。 投资观点 建筑光伏是实现建筑节能减碳的有效方式，BAPV和BIPV是两种主要形式，可利用空间主要集中在屋顶和立面两个方向。目前主流的光伏屋顶路径更多介于BIPV与BAPV之间，即光伏发电模组并非建筑材料（或者能够承担建筑材料功能），更多是光伏材料与建筑材料组合形成模块，即光伏材料负责发电，而建筑材料负责载荷，但这并不是BIPV的最终形态。 在屋顶光伏应用场景下，当前晶硅太阳能电池板几乎占据绝对优势。而在外立面应用方向，薄膜太阳能电池则具有得天独厚的优势：1、弱光性好，因此对入射光角度适应性强；2、温度系数较小，高温下功率损失小，而立面通风条件差经常导致组件工作环境温度较高；3、热斑效应小，在被遮挡导致局部组件温度过高时，可有效降低功率损失（建筑立面更易被周围环境遮挡）；4、从美学角度考量，薄膜太阳能电池可根据需要制作成不同的透光率，并通过改变颜色和形状，满足业主对于建筑物美观和异形的要求。 诚然当前应用于屋顶的光伏-建材模块是现阶段的主流途径和经济性最优解，但从城市空间而言，高层建筑立面面积逻辑上大于屋顶面积，意味着如果国家推动超低能耗建筑等路径，建筑立面发电也将是大势所趋和有效补充。而且我们认为薄膜电池是较为典型的BIPV最终形态之一，对于建筑立面发电是较好的选择，其和晶硅电池并非绝对替代关系，而是协力将建筑物节能降碳做到最大化。 1、薄膜电池：“会发电的玻璃” 1.1、薄膜电池简介 薄膜太阳能电池主要指在绝缘的半导体玻璃表面涂覆一层串联的化合物薄膜电池组件（如碲化镉、铜铟镓硒及砷化镓薄膜等），在受到太阳光照射后，将光能转化为电能。薄膜电池通过将玻璃和光电材料有机结合，使得建筑材料实现自主发电，因此被称为“发电玻璃”。 目前的薄膜太阳能电池市场中，碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池产量最高，商业化技术也最为成熟；铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池近年来产量也在持续提升； 而硅基薄膜电池和其他非晶硅薄膜电池由于转化效率较低在逐渐被市场淘汰。 表1：主流薄膜电池分类 不同于晶硅光伏产业的快速发展，薄膜电池产业整体发展较为缓慢，且主要为美国First Solar一家拉动。2021年全球薄膜太阳能产量约为8.28GW，同比增长27.7%。 图1： 1.2、碲化镉电池：当前主流薄膜电池路径 发电原理 碲化镉薄膜电池的基本原理是由太阳光子与半导体相互作用产生电势输出电能。 主要由5层结构组成：玻璃层、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极层。CdTe吸收层和CdS窗口层结合形成p-n结，当光照到p-n结时吸收层电子跃迁到导带（固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围）同时在价带（已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量带）中产生空穴，致使p-n结产生电子-空穴对，空穴聚集将增强p型电导。 此时将外电路与p-n结连通，就可将产生的电流通过由TCO层薄膜和玻璃背板连接的电极引出，实现发电。 图2： 材料的带隙宽度和光吸收率决定了发电效率。带隙宽度是光子能被吸收的最低阈值；光吸收率决定了能被吸收的光子中得以利用的比率。阳光照射时仅有能量大于带隙宽度的光子能被半导体吸收，最佳带隙范围一般在1.4eV左右。 碲化镉作为Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体，直接带隙为1.45eV，位于理想太阳能电池能隙范围，光吸收系数为10，因此其具备成为优秀发电材料的理论基础。制作碲化镉薄膜电池组件时仅需涂抹2微米厚的CdTe薄膜，就可以使得组件在AM1.5条件（组件温度25℃，光照为每平方米1000瓦，大气质量为AM1.5）下吸收99%的太阳光，最高理论转换效率高达32.8%。 5 /cm -2 集成化程度较高，薄膜沉积和后处理工艺是关键 碲化镉薄膜电池生产集成化程度较高，多个制备进程可在同一个工厂完成，整个过程耗时较短，工序简单。而晶硅生产中从晶硅——硅片——电池片——组件过程往往需要在多个工厂经过多道工序。 图3： 为同时满足低成本生产和高沉积速率的商业化条件，碲化镉薄膜电池工业生产主要采用近空间升华（CSS）和气象传输沉淀（VTD）两种方法制备。两种方法理论上都可以满足技术和商业化应用要求，不过实际应用中需要积累生产经验不断优化生产工艺。 CSS通过将CdTe固体原材料加热至450℃以上升华分解，再将其凝结至 450~600℃的玻璃衬底上形成均匀的碲化镉薄膜，能够在约1um/min的沉积速率下得到高品质薄膜，是目前广为使用的方法。 VTD前期步骤与CSS类似，通过加热CdTe固体使其受热挥发出CdTe蒸汽，但不同的是再利用传输气体（氦气、氧气等）将CdTe蒸汽于基板表面凝集成膜。 此种方法沉积速率较快，为美国FirstSolar专利独有，亦构成其技术护城河。 图4： 由于发电效率与开路电压和短路电流成正比，可以通过对沉积薄膜的后处理增大电压电流实现效率提升，工业生产中主要使用含氯气氛处理和激光划刻处理两种方法。 含氯气氛处理通常指将所得CdTe薄膜置于400℃的CdCl气氛之中使其发生反应实现再结晶。未经过含氯气氛处理的CdTe太阳能电池，产生的短路电流较小，无法满足效率需求。通过CdCl再处理，一方面可以增大晶粒尺寸，减少晶界缺陷，另一方面通过热处理优化界面结构，提高吸收层的载流子寿命，从而提升电流大小和效率。 激光划刻处理通过把连续膜层分割成若干电池单体，再将电池串联集成实现开路电压和短路电流的提升。选用不同规格激光划刻CdTe薄膜时刻槽边缘形状不同，为令后续沉积层与接触层发挥良好的欧姆特性，应选用刻槽边缘较为平缓的激光进行划刻。 对标晶硅电池，碲化镉薄膜电池具备自身特有优点 与晶硅太阳能组件相比，除理论效率更高，碲化镉薄膜太阳能电池组件还具有很多潜在优点： 1）温度系数低，碲化镉温度系数约为-0.25%/℃，比晶体硅太阳能电池低一半左右，可适用于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。 2）弱光效应好，由于碲化镉为直接带隙半导体，强弱光均可发电，拥有最好的光谱响应，在清晨、傍晚、积雪、积灰、雾霾等弱光条件下发光效果明显优于间接带隙材料的晶硅电池。 3）热斑效应弱，通常光伏组件局部被遮蔽时会发热，该区域被偏置成负载消耗能量，薄膜电池的弱光性能使得其电力损失更低。 4）强度高、易加工，由于碲化镉薄膜内含轻质化产品和纤维，其表面硬度高且具备类似木材的加工性能。 5）回收期短，最高超过90%的组件可回收进行循环利用，欧洲PV Accept Project报告显示，碲化镉薄膜电池的能量回收期仅为10.8个月，而晶体硅电池则需要2.5-3年。 6）美观、可灵活定制，碲化镉薄膜玻璃可改变透光率和颜色，且在建筑上属夹胶类安全玻璃范畴。 图5： 图6： 图7： 实验室转化效率已达较高水平，部分应用领域具备差异化优势 根据碲化镉组件能量转化效率发展曲线，First Solar公司在2011—2016年期间将实验室电池转化效率从16%提升至22.1%。 根据First Solar15年官方提供的项目模拟模型——Energy Capacity Assessment Tool，因为碲化镉薄膜电池具有弱光性能强