TCO玻璃：薄膜电池产业加速，定制化属性凸显先发优势

TCO玻璃：薄膜电池基底材料，FTO+在线镀膜为主流路线。TCO玻璃是在超白浮法玻璃表面通过物理或化学方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要应用在薄膜电池的前电极，起到透光和导电的作用，直接 影响薄膜电池的性能和转换效率。TCO玻璃根据氧化物成分可分为ITO､FTO和AZO，根据镀膜工艺可分为在线镀膜及离线镀膜，目前主流工艺为FTO+在线镀膜。 TCO玻璃设备投资大、调试成本高，技术难点在于在线镀膜以及定制化设计。在线TCO镀膜玻璃生产线包括生产超白玻璃以及进行在线镀膜，难点主要在于：1）产线端：超白浮法玻璃生产难度大、原料要求高，并且产线和镀膜设备投资较大，金晶科技单条产线改造金额约1.5亿元，进入壁垒较高。2）工艺端：在线镀膜难度大，是核心的技术壁垒，企业需要大量经验和工艺积累才可以实现薄膜的均匀稳定并提升镀膜效率，若产品性能不佳会导致产出降级产品或废品，调试的成本非常高。3）客户端：下游验证周期长，由于不同客户的膜系材料存在差异，需要企业与客户配套研发，根据客户需求对TCO玻璃过渡层和功能层组分进行调整，提供定制化设计以实现最优的转换效率。 TCO玻璃需求取决于薄膜电池发展，First Solar扩产+BIPV+钙钛矿三重催化打开增长空间。薄膜电池效率提升缓慢、产业链较为封闭，在晶硅成本大幅降低下市场空间挤压，仅First Solar具备大规模生产能力，导致TCO玻璃需求锐减。但在First Solar扩产、BIPV、钙钛矿三重利好催化下，TCO玻璃需求有望快速提升：1）First Solar计划2025年将自身产能扩张至20GW以上；2）国内双碳目标叠加建筑业节能减排，BIPV渗透率快速提升，预计2025年薄膜电池装机量可达3.5GW，国内碲化镉电池厂商产能规划6GW以上；3）钙钛矿电池光电效率、成本优势突出，逐步向产业化迈进，国内厂商远期产能规划在28GW以上，目前尚需解决大面积制备以及稳定性问题，待未来稳定量产后，TCO玻璃需求将大幅提升。 First Solar扩产带来供需缺口，国内薄膜电池放量更需定制化产品配套。 根据我们对各薄膜电池的TCO玻璃用量测算，预计2025年全球TCO玻璃需求或超1.4亿平：1）碲化镉。First Solar扩产，2025年产能20GW，预计TCO玻璃用量超9000万平。国内中建材等碲化镉企业的TCO玻璃需求在1600万平以上。2）钙钛矿。根据目前扩产规划，假设2025年有1GW钙钛矿出货量，对应TCO玻璃需求600万平。目前First Solar的TCO玻璃供应商为板硝子，但First Solar扩张后板硝子存在供给不足，金晶科技或将填补部分缺口，供货份额提升的关键在于产品性能和成本。国内碲化镉企业仍在提升转换效率，对TCO玻璃性能要求将持续提升，钙钛矿技术路线仍在探索中，各家企业生产工艺、材料选择尚未定型，TCO玻璃企业需要与钙钛矿客户共同配套研发，根据其工艺、材料提供定制化的产品，金晶科技、耀皮玻璃等具备先发优势的企业将大为受益。 投资建议：First Solar扩产、BIPV渗透率提升以及钙钛矿电池催化下，TCO玻璃需求快速提升，建议关注在TCO玻璃领域具备先发优势的企业金晶科技、耀皮玻璃。 风险提示：碲化镉电池需求不及预期风险、钙钛矿电池研发不及预期风险、测算误差风险。 1、TCO玻璃：薄膜电池基材，定制化属性带来高门槛、厚壁垒 1.1薄膜电池基底材料，FTO+在线镀膜为主流路线 TCO玻璃即透明导电氧化物镀膜玻璃，主要应用在碲化镉及钙钛矿电池前电极。TCO玻璃是在平板玻璃表面通过物理或化学方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要用于薄膜电池前电极。根据氧化物的不同，TCO导电膜玻璃可分为掺锡氧化铟锡透明导电膜玻璃（ITO）､掺氟氧化锡氟透明导电膜玻璃（FTO）和掺铝氧化锌铝透明导电膜玻璃（AZO）三类，根据镀膜工艺的不同，可分为在线镀膜玻璃及离线镀膜玻璃。 图表1：TCO导电膜玻璃示意图 图表2：TCO导电膜玻璃分类 薄膜电池生产流程为首先在玻璃表面沉积前电极的TCO导电薄膜，再沉积PN半导体膜，最后镀制背电极，随后进行封装，封装用背板玻璃为普通浮法玻璃。硅基电池光学带隙与太阳光光谱不匹配，光电转化率偏低，已逐步被淘汰，铜铟镓硒电池产能规模较小、制程复杂、成本较高，并且其制备工艺不需使用TCO玻璃，钙钛矿电池虽需使用TCO玻璃但目前尚未大规模商业化应用，因此碲化镉电池为目前薄膜电池主流技术，是TCO玻璃主要下游应用领域。 图表3：碲化镉薄膜电池电池结构 图表4：铜铟镓硒薄膜电池结构 在线镀膜成本、能耗更低，为目前主流镀膜工艺。在线镀膜是在超白浮法玻璃生产线锡槽上方安装镀膜设备，在400~700℃温度下于玻璃成型过程中将金属氧化物沉积在玻璃表面，工艺设备相对简单，具备生产效率高、耐久性长等优点，同时利用玻璃成型余温进行镀膜的成本及能耗较低。离线镀膜是将生产好的超白浮法玻璃经过清洗、预加热，再进行镀膜、冷却、刻蚀，在真空条件下完成沉积层，膜层纯度高，可根据用户需求调整工艺参数，产品生产较为灵活，但设备价格较贵，单独镀膜的成本及能耗较高。目前日本板硝子、艾杰旭大连（已被耀皮玻璃收购）、金晶科技均采用在线镀膜工艺。 图表5：在线镀膜产线示意图 图表6：离线镀膜产线示意图 AZO、ITO光学、导电性能优于FTO，FTO则更具成本优势。从性能来看，ITO和AZO的透过率、导电性能均优于FTO，而FTO的热稳定性、化学耐久性、硬度则为最佳。从成本来看，ITO原料In为稀有元素，在自然界中贮量少，成本较高，AZO原料Zn获取较为容易，成本低廉，FTO位于二者之间，且使用在线镀膜工艺，具备成本优势。 图表7：ITO、FTO、AZO性能对比 综合考虑透光率、导电率及实际生产的温度及成本影响，FTO为TCO玻璃主流路线。 2021年全球碲化镉薄膜电池产量8.03GW，占比高达97%。高温碲化镉生产工艺温度在650-750℃，铜铟镓硒为600℃，钙钛矿则为120-130℃，ITO、AZO不耐高温，多在中低温工艺中使用，因此碲化镉的绝对主导决定了FTO为当前主流材料，日本板硝子向First Solar提供的TCO玻璃均为FTO。钙钛矿电池生产温度较低，理论上AZO、ITO、FTO均可适用，但由于AZO、ITO稳定性不足，协鑫光电的钙钛矿产线仍使用FTO。 图表8：薄膜电池分类占比（单位：GW） 图表9：不同路线薄膜电池生产工艺温度（单位：℃） TCO玻璃作为薄膜电池的前电极、支撑材料以及窗口材料，直接影响薄膜电池性能，要求主要包括：1）光伏透射比（透光率）。要求TCO玻璃光伏透射比在82%以上；2）电导率。方块电阻小于12Ω/□，但降低导电率会降低透光率，需实现二者平衡；3）雾度。 低于2%，要求TCO薄膜表面平整度高、粗糙度低；4）激光刻蚀性能。薄膜电池通过将大面积薄膜用激光刻画成若干电池条以克服薄膜材料不均匀问题，减少横向电流损失，要求TCO膜层激光刻蚀性能好，不得有薄膜刻不断或刻伤玻璃本体等缺陷。5）高温稳定性。要求TCO玻璃在加热过程中薄膜化学成分、光伏透射比、方块电阻、外观不会有明显变化。6）大面积均匀性。BIPV是薄膜电池重要应用，要求TCO玻璃颜色均匀，不得有干涉条纹、膜层云朵等缺陷。7）低成本。TCO玻璃占薄膜电池总成本的15%~20%，占总成本比重较大，光伏度电成本要求下需降低TCO玻璃的制造成本。 图表10：非晶硅/微晶硅太阳能电池成本结构（单位：%） 图表11：钙钛矿电池成本结构（单位：%） 1.2设备投资大、调试成本高，技术难点在于在线镀膜及定制化设计 在线TCO镀膜玻璃生产线的功能包括两部分，一是生产超白玻璃，二是进行在线镀膜，难点主要在于：1）产线端：超白浮法玻璃产线作为基础，设备投资较大；2）生产端：在线镀膜难度高，需要大量经验和工艺积累，是核心的技术壁垒，产品性能不佳的调试成本非常高；3）客户端：验证周期长，并且需要根据客户需求进行定制化设计。 产线端：超白浮法玻璃相对普通浮法玻璃的生产难度大、原料要求高，在线镀膜设备投资高。超白浮法玻璃需使用超白石英砂作为原料，在配料过程中需对铁含量进行精密管控，同时生产熔化期间的气泡难以消除，产品质量极易受各类因素影响，生产难度较大，具备一定进入门槛。TCO玻璃产线需在超白浮法玻璃产线基础上安装镀膜设备，镀膜设备可自行设计或直接从国外购买，安装后还需对原有产线进行改造调试。从投资额来看，金晶科技单条产线改造金额约1.5亿元，具备资金壁垒。 工艺端：在线镀膜难点在于保持薄膜均匀稳定以及提升镀膜效率，产品性能不佳的调试成本较高，需要企业长期工艺和经验的积累。 在线镀膜主要采用CVD法，CVD法均匀性、可控性好、生产规模大、成本低、产品经久耐用。以FTO组分为例，由于基底玻璃的成分SiO2折射率约1.55，顶层SnO2功能层的折射率约2.0，折射率差异会导致产品出现色差，并且SnO2晶体颗粒较大会影响膜层附着力，同时高温工艺下玻璃中的钠离子会外溢影响膜层性能，因此在玻璃和功能层间需增加过渡层来起消除色差、增加附着力、阻挡钠离子等作用。从理论角度来看，理想的过渡层是沿膜层方向形成连续渐变状态，以消除层与层之间的突变，从而实现减少光反射损失，并改善透过率。 图表12：FTO膜系结构示意图 图表13：化学气相沉积反应原理示意图 玻璃运行速度快、气氛调节难，膜层生长速率在每秒数十纳米以上，且镀膜时气流不稳定、存在横向温差，需要镀膜装置、反应过程与浮法线兼容才可快速均匀镀膜。此外，由于反应物定期会在镀膜器上结灰、结晶，导致膜层缺陷，因此需要定期对镀膜器进行清理才可重新镀膜，在清理期间会产生大量未镀膜原片，需要企业自行优化镀膜工艺并改进设备，才可提升镀膜效率。若膜层质量不佳，产品将降级甚至报废，因此TCO玻璃前期研发、改进的调试成本较高，缺乏下游客户支持的情况下很难实现盈利，只有资金、规模较大的企业具备生产TCO玻璃的基础。 图表14：在线Low-E镀膜工艺流程图 客户端：验证周期长，需要根据客户需求进行定制化设计。以FirstSolar和日本板硝子合作为例，First Solar对TCO玻璃供应商的认证时间长达12个月，并且供应商需要不断改进流程、工艺和方法，板硝子从2012便根据First Solar的需求参与其SQCI流程，根据我们调研反馈，国内TCO玻璃的验证周期也在6个月以上。此外，由于薄膜电池产业链较为封闭，同时薄膜电池的膜层元素掺杂相对灵活，因此不同薄膜电池企业的膜系材料存在差异，需要TCO玻璃供应商与其共同配套研发，尤其是钙钛矿领域，需要针对客户膜系结构调整过渡层和功能层的组分，提供定制化的产品，以实现最优的转换效率。 2、龙头扩产、BIPV、钙钛矿三重催化，打开TCO玻璃空间 三重利好催化下，薄膜电池重回大众视野，TCO玻璃需求有望快速提升：1）传统薄膜电池企业强势扩产，First Solar计划2025年将产能扩张至20GW以上；2）国内BIPV渗透率快速提升，预计2025年建筑立面薄膜电池装机量可达3.5GW；3）钙钛矿电池正在向商业化应用迈进，国内厂商远期产能规划在26.4GW以上。 2.1薄膜电池发展缓慢，TCO玻璃需求受限 TCO玻璃作为薄膜电池的基底，需求与薄膜电池发展密切相关，而薄膜电池在与晶硅电池的竞争中落后，致使TCO玻璃逐步淡出视野。我们认为效率提升缓慢以及晶硅成本大幅降低是薄膜电池在1980-1990年和2000-2010年间失利的原因，近年来发展缓慢主要为产业链较为封闭，参与者较少，目前全球仅First Solar可进行大规模生产。 1980年至今，薄膜电池共经历了两轮由盛转衰的变革。1）1980-1990年：光伏电池行业整体技术尚未成熟，硅基薄膜电池1989年市占率一度超过30%，但由于效率、稳定性一直未有显著改善，在新技术迭代下市占率逐步下滑。2）2000-2010年：2000年起德国大力发展