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TCO玻璃应用前景广阔
添加日期:2010-06-05 00:24:58     浏览次数:1136
 
       TCO玻璃分享薄膜太阳能电池行业高成长TCO玻璃是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide)而形成的组件。对于薄膜太阳能电池来说,由于中间半导体层几乎没有横向导电性能,因此必须使用TCO玻璃有效收集电池的电流,同时TCO薄膜具有高透和减反射的功能让大部分光进入吸收层。
  虽然目前晶硅电池占主流,薄膜电池也还存在种种问题需要解决,但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔:转换效率和生产成本改善空间巨大,生产工序相对简单、生产能耗少,应用范围广泛;美国的薄膜产商First Solar发展非常迅速,后来者居上,已成为世界第一大太阳能电池企业;根据NanoMarkets预测,09-15年薄膜电池产量还将有16倍的增长空间,复合增速高达58%;而按照国内目前各厂商的扩产计划,国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动TCO玻璃需求高增长。
  TCO玻璃的生产工艺TCO玻璃工艺主要分为超白浮法玻璃生产、TCO镀膜。
  超白浮法玻璃生产工艺难度较高,目前世界上主要供应商有日本旭硝子、美国PPG、法国圣戈班等,国内供应厂家有限,目前仅金晶科技、南玻、信义能够供货。
  太阳能TCO镀膜玻璃当前以FTO玻璃为主,AZO玻璃将成为未来发展趋势,主要采用化学气相沉积法(FTO玻璃)和磁控溅射法(AZO玻璃)。
  太阳能TCO玻璃供给有限,发展空间巨大当前太阳能TCO玻璃生产控制在少数国外厂商手中,如板硝子、旭硝子、AFG、PPG等;我国近年来虽然有多家研究机构和公司申请了TCO镀膜的发明专利,但仍未真正实现产业化,并且镀膜设备仍受国外生产商控制。
  当前国内生产企业寥寥无几,已投产的仅有中国科技、南玻和信义,未来中航三鑫等企业将进军TCO玻璃行业。
  我们看好TCO玻璃的发展空间。
  产品介绍TCO玻璃是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide,简称TCO薄膜)而形成的组件。
  透明导电氧化物薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。
  TCO有两个主要指标:一是对可见光的高透过率(T avg >80%),另一个是高的导电率(R <10-3Ω·cm))。
  TCO玻璃因其透明、导电的优异性能而应用广泛,可以应用在太阳能薄膜电池、显示器、热反射镜、透明表面发热器、柔性发光器件及雷达屏蔽保护等领域。
  分享薄膜太阳能电池行业高成长
  TCO在薄膜太阳能电池中的应用太阳能电池(光伏电池)主要分为晶体硅电池和薄膜电池,当前晶体硅占整个光伏市场80%的份额,薄膜电池占比约20%。
  薄膜太阳能电池(thin-film pv)是将半导体薄膜沉积在载体上形成的电池,在光照条件下,半导体薄膜可以利用光升伏打效应将光能转化为电能,并通过前电极与背电极将电能输出。
  TCO玻璃作为薄膜太阳能电池前电极,是其必不可少的一部分,对于薄膜太阳能电池来说,由于中间半导体层几乎没有横向导电性能,因此必须使用TCO玻璃有效收集电池的电流,同时TCO薄膜具有减反射的功能让大部分光进入吸收层;薄膜电池对TCO玻璃的光谱透过率、导电性能、雾度等性能都有要求。
  薄膜太阳能电池有其独特的优势
  虽然目前多晶硅太阳能电池仍是主流,但是我们认为薄膜太阳能电池有其独特的优势,未来发展空间巨大:
  改善空间巨大相比核电和风电,太阳能电池发电成本较高导致其大规模运用受限;相比晶硅电池,我们认为薄膜太阳太阳能电池的发电成本未来改善空间更大,将使得太阳能更大范围内应用;这里所说的改善空间主要包含两个方面:一是转换效率;二是生产成本。
  转换效率从产业化转换效率来看,晶硅电池一般为14-19%,而薄膜电池的转换效率为5-10%左右;而从实验室转化率记录看,薄膜电池的最高记录已经接近多晶硅电池,将近20%,与目前仅10%上下的转化率相比,未来的薄膜电池还有翻番的提升空间。
  生产成本
  生产设备方面:由于薄膜电池技术发展时间较短,并未形成通用技术和通用设备,目前提供大尺寸薄膜电池设备交钥匙工程的主要是AMAT、Oerlikon以及ULVAC,导致了设备成本高企,25MW非晶硅薄膜电池生产线的售价在3亿元~4亿元人民币之间,而25MW晶体硅只有4000万元~5000万元,同容量薄膜电池生产线的价格是晶硅的6-10倍,随着技术的进步、规模化生产和设备厂商的增加,设备的价格下降空间巨大。
  原材料方面:薄膜电池的主要原材料包括TCO玻璃、EVA、靶材以及气体。目前TCO玻璃、靶材和硅烷均为国际巨头垄断:高品质的太阳能TCO玻璃基本被日本的旭硝子、板硝子和美国的AFG垄断,溢价空间小,进货价格高;靶材目前的国内供应仍被国际大厂把持,德国贺利氏是全球最大的供应商;国内目前也没有企业生产硅烷,而主要国际大厂扩产有限,加之LCD等需求量居高不下,硅烷供应仍偏紧张,价格维持高位。随着这些原材料的推广,价格下调空间巨大。
  根据PHOTON的预测,未来薄膜电池的成本将持续下降,且下降速度快于晶硅电池。
  工序相对简单、生产能耗低目前占主流的晶硅太阳能电池虽然转换效率高,技术成熟,但是它存在的最大问题:主要原料多晶硅或单晶硅制造工序复杂、制造能耗大、切片材料利用率低、污染环境,从而也导致生产成本高;而且太阳能本身作为一种可再生的清洁能源,如果在制作太阳能电池过程中需要大量消耗不可再生资源、同时还带来环境污染,会使得其可再生的清洁能源打上折扣。而薄膜太阳能电池制造工序简单、能耗少,能避免这个缺陷。
  以电耗为例,晶体硅由于使用的硅层较厚,而晶硅层从冶炼、提纯、到浇注、切片,工序较多,每个环节消耗的电能也都较多。而非晶硅电池由于薄膜层非常薄,仅为晶体硅的1/100而且工序简单,故耗电量较低,非晶硅总体耗电与晶体硅存在数量级的差别。
  应用范围广泛薄膜太阳能电池应用广泛主要体现在以下几个方面:
  能在更广的环境下发电:薄膜太阳能电池弱光性好,适用的阳光强度范围广,受天气的影响小;承受的温度高,功率不太容易受温度影响。
  多样的基板材料可运用在多种领域:晶硅电池必须加工成坚硬的板块状电池板,限制了它的许多用途;而薄膜太阳能电池形式多样,双层玻璃刚性的薄膜电池组件可以部分代替玻璃幕墙,不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。同时,应用于建筑中,TCO能很好地阻挡外部红外射线的进入和内部热能的散失,双层玻璃中间的PVB或EVA,能够有效隔断能量的传导,起到LOW-E玻璃的节能功能。
  当然,目前薄膜电池还存在种种问题需要解决:非晶硅存在的主要问题是转换效率低,并且有光致衰减效应;碲化镉存在的主要问题是镉化合物会引起环境污染,并且碲稀缺,铜铟镓硒良品率低,而且铟稀缺。
  薄膜电池前景广阔将带来TCO玻璃需求高速增长 First Solar的例子我们以薄膜太阳能电池标杆企业--美国First Solar为例,可以看到薄膜太阳能电池企业发展之迅速。
  First Solar是总部位于美国亚利桑那州一家从事碲化镉薄膜电池生产制造的厂商,成立于1998年,2002年生产出第一块光伏电池产品,2006年底在美国纳斯达克上市。
  First Solar一直以惊人速度扩张,产量从04年的65MV增至09年的1100MV,番了170倍,年复合增长率高达179%,销售收入复合增速173%,现在已经跃身成为全球最大的光伏厂商。
  2009年9月8日,中国政府与First Solar签署备忘录,双方计划在内蒙古鄂尔多斯建造200万千瓦的太阳能发电厂,这将是世界上最大的太阳能发电厂,可供300万户居民用电。
  该公司的薄膜太阳能电池单位制造成本已经从04年的294美元/瓦压缩至09年的084美元/瓦,10年1季度已降至081美元/瓦;在2009年8月的会议上,First Solar表示,计划2014年其碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池模块每瓦制造成本将达到052-063美元,转换效率也将提升至125%。
  薄膜太阳能电池行业快速发展将拉动TCO玻璃需求高增长
  据行业分析公司NanoMarkets预测,全球薄膜太阳能电池2015年的发电量将达到26000MW,销售额将超过200亿美元,太阳能电池发电量的一半以上将来自薄膜太阳能电池,而2009年薄膜电池的产量仅为1644MW,薄膜电池还将有16倍的增长空间,09-15年复合增速将高达58%。
  中国企业也看到了薄膜电池的良好前景,各个企业产能飞速扩张。根据各生产商的投产计划,Best solar,新奥、源畅光电、强生光电、金太阳等主要薄膜电池生产商将在未来几年释放产能,一旦这些生产线投产,产量将实现快速增长。
  按照每50Wp的薄膜太阳能电池大约使用1m2的TCO玻璃,国内薄膜太阳能电池企业的扩产大幅扩产将将拉动TCO玻璃需求高增长。
  TCO玻璃的生产工艺TCO玻璃是指在玻璃表面镀一层透明的导电薄膜形成的组件,而太阳能级的TCO玻璃的基片一般都使用超白浮法玻璃。
  超白浮法玻璃基片超白浮法玻璃又称低铁玻璃、五色玻璃、高透明玻璃,是指由于三氧化二铁含量低,导致可见光透射率高的浮法玻璃。它于普通浮法玻璃不同,其断面不会呈绿色,具有极佳的透光性能,外观有着与无色水晶相似的视觉效果,给人以高贵典雅的感觉,适合各类建筑装饰、高档玻璃家具、高档轿车玻璃、高档贵重品展示的柜台橱窗等。又因为其高透光率,应用于薄膜太阳能电池。
  优异的特性适用于薄膜电池基片作为薄膜太阳能组件的太阳能玻璃必须具备下列特性:
  阳光透过率高、吸收率和反射率低,让光透过以便让其他组件吸收;对风压、积雪、冰雹、投掷石子等外力和热应力有较高的机械强度;对雨水和环境中的有害气体具有一定的耐腐蚀性能;长期暴露在大气和阳光下,性能无严重恶化;热膨胀系数必须与结构材料相匹配,即膨胀系数要小。
  我们以金晶科技的32mm浮法超白玻璃为例(薄膜电池玻璃常采用32mm),它的性能很好地满足了太阳能电池的需求。
  除SiGe薄膜电池和CIGS可用金属做为基片之外,几乎其他所有的薄膜电池技术都采用超白玻璃作为电池芯片的基片材料。
  生产工艺难度较高和普通浮法玻璃相比,超白浮法玻璃工艺难度较高,主要体现在两个地方:一是氧化铁的含量控制困难;二是在原料熔化过程中,产生的气泡难于消除。
  国内供应厂家有限目前世界上主要的超白玻璃供应商,有日本旭硝子、美国PPG、法国圣戈班等。
  超白玻璃的技术要求很高,需要具备雄厚的技术和生产资源相配套,国内生产超白浮法玻璃主要有三家:金晶、南玻A和以及最近推出超白浮法玻璃的信义和中航三鑫,国内其他的企业如耀皮、辽宁阜新、邢台晶牛、南京圣韩等由于质量或市场原因,目前已停产。
  TCO玻璃镀膜工艺太阳能TCO镀膜玻璃当前以FTO玻璃为主,AZO玻璃是未来的发展方向TCO薄膜主要包括In、Sn、Zn以及Cd的氧化物及其复合多元氧化物等。TCO薄膜根据材料的不同,主要包括ITO、FTO和AZO。
  ITO的导电性能在目前是最好的,最低电阻率达10-5Ωcm量级,但是ITO玻璃因In离子在薄膜太阳能电池制作的PEVCD工艺中会被H离子还原,导致光透过率衰减80%,电性大幅下降,同时In是稀有金属,价格昂贵,所以不太适用于薄膜太阳能电池前电极;FTO是带有雾度的产品,激光刻蚀容易,光学性能适宜等优点,利用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜光伏电池的主流产品;AZO目前研究进展迅速,电阻率和光透性都优于FTO,且原料丰富,稳定性好,是未来的发展方向,但目前在制绒方面存在问题,并且长期稳定性问题,暴露在大气中它会吸附氧和水汽,目前工业化应用还不成熟。
  镀膜工艺主要采用APCVD或磁控溅射法目前,TCO镀膜方法主要采用化学气相沉积法(FTO玻璃),和磁控溅射法(AZO玻璃)。
  溅射沉积薄膜主要以惰性气体放电而产生的正离子轰击固体阴极,入射离子与靶材发生碰撞,从而把被溅射物质做成的靶材表面原子轰击出来,被溅射出来的原子带有一定的动能,会沿一定的方向射向衬底,在衬底上沉积出薄膜。磁控溅射法镀的膜均匀性较好,但是就我们国家来说,高质量靶材的制备工艺还不成熟,需要从国外进口,生产成本就相应较高。另外,由于磁控溅射法必须在一定的真空条件下进行,因而在一定程度上限制了透明导电玻璃的有效制备面积。
  化学气相沉积法是利用气态(蒸气)先驱物,在高温衬底表面或附近,进行原子或分子间的化学反应,形成一层固态沉积物的过程。这种方法生产的产品成本相对较低,激光刻蚀容易,光学性能适宜等优点。
  太阳能TCO玻璃供给有限,发展空间巨大国外的太阳能TCO玻璃生产概况当前全球太阳能TCO玻璃的生产主要控制在少数企业中。
  以旭硝子AGC为例,AGC从1985年就开始生产TCO玻璃,随着太阳能电池的发展,2008年2月,公司专门成立了太阳能玻璃事业部,负责TCO玻璃及其他太阳能玻璃的生产。
  AGC2009年实现了200亿日元的销售收入,增速达100%,根据公司计划,2010年将保持75%的增长,达到350亿日元。
  我国自有TCO镀膜技术仍未实现产业化,需从国外引进从在我国申请的专利情况来看,早在2000年就有清华大学申请了专利,截止到目前不完全统计已有14项。申请的单位主要为学校与研究所(7个)、中资企业(4个)、外资企业(3个),可以看出学校与研究所等的研究机构仍是拥有专利的主流,但是这些技术只停留在实验室阶段,尚未实现产业化;拥有专利的中企也尚未有大规模生产TCO的规划,当前我国产业化的技术仍来自国外。
  TCO镀膜设备受国外生产商控制当前能够提供TCO镀膜设备掌握在少数几个公司手中,如美国欧瑞康、德国的Von Ardenne和Leybold-Optics,这些企业2000年前后开发出TCO镀膜玻璃设备。大企业垄断设备导致了投资成本很高。
  当前国内生产企业很少,未来发展空间巨大目前能够生产的企业寥寥无几,已投产的仅有中国科技、南玻A、与信义玻璃,而中航三鑫、浙江福莱特等企业已经开工。
  我们看好TCO玻璃的发展空间。

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