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薄膜太阳能电池行业研究报告

发布者:管理员  2018/4/2 11:44:15

一、薄膜太阳能电池概述

(一)薄膜太阳能电池定义

薄膜太阳能电池(简称:薄膜电池)指用硅、硫化镉、砷化镓等制备成的厚度在微米量级的薄膜为基体材料,通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。其特点是该种材料对太阳光的吸收系数很高,可以在较薄的厚度吸收大部分太阳能量。

(二)薄膜太阳能电池与传统太阳能电池板的区别

二者之间最明显的区别在于厚度,使传统太阳能电池板和薄膜太阳能电池在太阳能捕获效率上存在差异,同时薄膜太阳能电池采用了不同的化合物。

传统的太阳能板用的是晶体硅(C-Si),这项技术已经发展多年,比较成熟可靠。值得注意的是,虽然C-Si具有较高的能量转换效率,但是实际吸光效率较差,这就意味着太阳能板必须足够厚,才能提高实际效率。

与传统的太阳能板不同的是,薄膜技术可以“混搭”多种元素,比传统太阳能板薄350倍左右,通过在玻璃、金属、塑料等材料表面镀膜或者沉积就可以制备太阳能电池面板,能够使不同类型的材料对光能可以充分利用,提高效率。

薄膜太阳能电池在成本、厚度方面优势明显,钙钛矿薄膜太阳能电池的成本较晶硅材料低25%左右;碲化镉、钙钛矿薄膜太阳能电池厚度分别为3~5微米和0.6微米,而晶硅材料至少为100微米。除此之外,薄膜太阳能电池与晶硅材料太阳能电池相比最大的优势在于薄,除了一般的用途外,可做成可穿戴或者军用的柔性太阳能电池。

(三)薄膜太阳能电池分类

就目前研究领域开发出的薄膜太阳能电池可分成以下几类:

(四)几种重要薄膜太阳能电池介绍

1、不定形硅(a-Si)

不定形硅是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太阳能电池。这是因为晶体硅早已用在传统太阳能电池上,人们对硅电子的性质的了解比较透彻。

2、碲化镉(CdTe)

基于CdTe的太阳能电池是第二受欢迎的光伏技术,制造过程简单、迅速。可以和硅基材料相媲美,转换效率的提高,实验室转换率为22%,生产转换率为18%,也促进了它的应用。

碲化镉薄膜太阳能电池经过半个多世纪的发展,技术相对成熟。目前90%的市场由美国薄膜电池制造商First Solar垄断。

3、铜铟镓硒(CIGS)

这种太阳能电池是另一种受欢迎的半导体类型。制备CIGS的技术在欧洲和日本越来越受到重视,而且世界各地的生产商们使用这种技术来充分发掘环境友好型材料的转换效率的潜力。

4、铜锌锡硫方法(CZTS)

在寻找既环境友好又原料丰富的太阳能电池材料的路上,CZTS被科学家所发现。CZTS和CIGS在性能和制备方法上很类似,但其效率更低。

5、钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池被视为最有希望取代传统石化能源的新能源电池之一,实验室转换率为22%,因制备方法简单、材料易于获取、能耗低等优势,成为国内外太阳能电池研究的热门领域。

当前市场上占主流的太阳能电池以硅和碲化镉为材料,达到目前的转化效率历时十几年;而钙钛矿只花了短短四年的时间研究。鉴于此,即使业界保守人士也对钙钛矿非常看好。

一、薄膜太阳能电池行业相关政策

(一)国家政策




1、成本目标

光伏发电成本持续降低。到2020年,光伏发电电价水平在2015年基础上下降50%以上,在用电侧实现平价上网目标;太阳能热发电成本低于0.8元/千瓦时;太阳能供暖、工业供热具有市场竞争力。

2、技术进步目标

先进晶体硅光伏电池产业化转换效率达到23%以上,薄膜光伏电池产业化转换效率显著提高,若干新型光伏电池初步产业化。光伏发电系统效率显著提升,实现智能运维。太阳能热发电效率实现较大提高,形成全产业链集成能力。

3、重点任务

推进分布式光伏和“光伏+”应用 

🔹 大力推进屋顶分布式光伏发电

🔹 拓展“光伏+”综合利用工程

🔹 创新分布式光伏应用模式

优化光伏电站布局并创新建设方式

🔹 合理布局光伏电站

🔹 结合电力外送通道建设太阳能发电基地

(二)宁夏政策

1、宁夏光伏十三五规划(宁政办发(2016)4号)。

2、《自治区人民政府关于印发宁夏回族自治区环境保护“十三五”规划的通知(宁政发〔2017〕45号)》:实施“煤改电”“煤改气”和太阳能等清洁能源改造,提倡和鼓励使用太阳能、生物能、风能等可再生能源。

三、薄膜太阳能电池产量分析

薄膜电池行业处于发展初期,市场份额远低于晶体硅电池,但未来市场空间巨大,全球光伏发电产业的飞速发展引发了全球多晶硅供应的持续紧缺,严重的制约了晶体硅电池产业的发展,晶体硅电池企业之间的抢料和价格竞争也随之加剧。

图1  2011年—2017年

全球薄膜太阳能电池的产能和产量(MW)

资料来源:公开资料、智研咨询整理

薄膜电池具有原材料充裕、能耗小、成本相对低廉的优势。近年来,全球薄膜太阳能电池的产能和产量都有不同程度的增长,薄膜电池行业悄然兴起。

四、薄膜太阳能电池市场分析

薄膜电池材料消耗少、制备能耗低、组件生产可在一个车间内完成,成本优势明显。如果薄膜电池组件效率与晶硅电池相差无几,其性价比将是无可比拟的。在柔性衬底上制备的薄膜电池,具有可卷曲折叠、不拍摔碰、重量轻、弱光性能好等优势,将来的应用前景将会更加广阔。加之光伏建筑一体化等分布式光伏的应用,根据中国产业信息网预测,预计在未来3到5年内,薄膜电池将占据30%以上的市场份额。

根据美国联合市场研究机构(AlliedMarketResearch)发布的2017年—2023年薄膜太阳能电池市场的最新报告显示,2016年薄膜太阳能电池市值达到了114.21亿美元,预计2023年该市场价值将达到395.12亿美元,2017年—2023年以19.4%的年复合增长率增长。

图2 2017年全球薄膜太阳能电池

市场份额占比

资料来源:公开资料、智研咨询整理

晶硅太阳能电池约占市场份额90%;薄膜太阳能电池占市场份额约10%,其中碲化镉市场份额约4%,铜铟镓硒约占市场份额3%。其他薄膜电池如军工领域应用较多的砷化镓、目前无法规模化的钙钛矿等太阳能电池占市场份额约3%。碲化镉目前90%的市场由美国薄膜电池制造商First Solar垄断。

五、主要薄膜太阳能电池企业

从企业看,全球薄膜电池产量主要集中在以CdTe电池为代表的FirstSolar,以CIGS电池为代表的SolarFrontier和以硅基薄膜为代表的汉能控股公司。

根据中国产业信息网资料显示,3家公司产量约占全球薄膜电池产量的70%。根据中国光伏行业协会数据显示,3家公司2016年产能占全球主要薄膜太阳能电池总产能的80%。

图3 全球主要薄膜电池生产商

资料来源:中国产业信息网

图4 全球著名薄膜电站

资料来源:中国产业信息网

数据来源:中国光伏行业协会

资料来源: 前瞻产业研究院

六、薄膜太阳能电池行业发展思考

(一)发展存在的问题

1、补贴资金存在较大缺口

光伏市场规模快速扩大和可再生能源附加征收不足,补贴资金缺口越来越大。截止2016年底,可再生能源附加资金缺口已达到520亿元。多数光伏发电项目难以及时拿到补贴,增加了全产业链资金成本,特别是光伏企业以民营企业居多且业务单一,融资能力较弱,市场一旦出现波动有可能给行业带来巨大冲击。

2、光伏项目弃光限电严重

西北地区限电较为严重,新疆、甘肃地区2016年弃光率分别达到31%和30%。弃光因素包括经济社会、体制机制等方面问题,一是当地光伏电站规模管理处于无序状态,电源与电网规划不协调;二是受当地经济新常态的影响,用电负荷增长缓慢甚至下降;三是受各种利益关系的影响,可再生能源优先发电政策难以全面落实;四是灵活调节电源不足,电网系统调峰能力严重不足;五是跨省跨区输电通道不足,难以在更大范围消纳。(所谓弃光就是光伏电站的发电量大于电力系统最大传输电量+负荷消纳电量。弃光率=光伏电站的发电量-电力系统最大传输电量-负荷消纳电量/光伏电站的发电量)

3、标准体制建设滞后

光伏产业标准体系尚不健全,标准制修订进展较慢且与产业有所脱节。部分行标由于存在归口交叉问题,立项效率低。国际标准化工作时间长、任务重,需要投入大量的时间及经费,企业骨干技术专家难以投入大量精力到标准化工作中,导致部分国家标准转换滞后。团体标准上升为国家标准或行业标准的通道尚不明确,也尚未被地方政府列为支持对象,企业参与积极性不高。此外,知识产权保护不强,企业知识产权维权成本较高,一定程度上也影响企业的研发投入。

(二)发展趋势

1、扩大投资规模。

由于近些年晶硅电池原材料成本的降低以及一系列新技术、新工艺的使用,低成本高效率的晶硅电池占据了光伏市场的绝大部分份额,出于短期利益以及投资风险的考量,大部分投资者对当下投资薄膜电池持慎重态度,从而影响了薄膜光伏电池在国内的国产化进程,不过这样的状况现今已有所改观。

2、瞄准柔性太阳能电池持续发力。

短时间内晶硅材料的市场主导地位难以撼动,钙钛矿、碲化镉等薄膜太阳能电池应充分发挥自身轻薄的优势,瞄准柔性太阳能电池加强研发。

3、加强院企合作,加速科研成果产业化。

大面积制备一直是薄膜太阳能电池产业化的一大瓶颈,由于研发投入大,仅靠科研院所难以实施。国家相关部门应鼓励企业参与进来、共同推进,加速科研成果从实验室走向生产车间,推出适应市场需求的产品,并形成规模化生产。

七、宁夏太阳能电池行业分析

(一)宁夏太阳能资源概述

太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、自然地理状况和气候条件有关。我国属太阳能资源丰富的国家之一,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h,根据中国气象局风能太阳能评估中心推荐的国内太阳能资源地区分类办法,共分5类,其中:

(二)宁夏薄膜太阳能电池发展现状

2012年,宁夏被国家能源局批复确立为全国首个新能源综合示范区之后,太阳能材料和装备制造业步入了快速发展阶段。目前,宁夏已建成包括硅石、工业硅、多晶硅、太阳能电池及组件、太阳能电站等为一体的完整产业链。据网上资料显示,宁夏地方光伏项目中,多晶硅、单晶硅项目仍然占较大比重,薄膜太阳能电池发展较缓。

1、宁夏大力发展太阳能发电

《宁夏能源发展“十三五”规划》按照集约化、园区化、规模化发展的原则,统筹土地资源和市场消纳,重点规划建设盐池、海原、同心、中卫、中宁、红寺堡、青铜峡、宁东、红墩子等10大光伏园区,统一布局建设园区基础设施,统一资源配置和准入标准,以光伏产业发展带动其它领域投资增长,集中培育一批百亿元的龙头企业,使之成为宁夏产业发展、改革创新的排头兵。支持不同技术路线的太阳能热发电,建设太阳能光热发电示范工程。扩大“光伏+”多元化利用,鼓励在工业园区、大型公共建筑及民用住宅屋顶、农业大棚建设分布式光伏发电,推进光伏与设施农业、畜牧养殖、水产开发、防沙治沙、生态旅游一体化发展。加快实施光伏扶贫工程。到2020年,争取光伏发电规模达到1000万千瓦以上,形成千亿光伏产业集群,并成为带动和促进自治区经济发展的新引擎。

2、宁夏光伏扶贫标准化建设

光伏扶贫是2014年由国家扶贫办和能源局联合推出的十大产业精准扶贫方式之一,自治区共有8个县和3个县外生态移民点采用屋顶分布式光伏发电系统建设方式开展首批扶贫工程。2017年10月14日,宁夏回族自治区质量技术监督局在我区首批光伏扶贫工程点之一的永宁县闽宁镇原隆村,发布了关于光伏扶贫工程的三个地方标准(《光伏扶贫电站关键设备》《光伏扶贫电站施工规范》和《光伏扶贫电站验收规范》),填补了国内光伏扶贫标准的空白

3、宁夏各市县太阳能发电情况

🔹 银川市太阳能发电情况

银川市发改委项目资料显示情况:截止2017年上半年,银川市共建成、在建、规划建设光伏项目50个,建设规模1118万千瓦,投资约108.82亿元。

🔹 中卫市太阳能发电情况

积极抢抓国家鼓励新能源产业发展机遇,大力发展新能源制造业,引进了银阳、隆基硅、华创风能、江南建设、源品钢构等一批骨干企业,形成了1.5万吨单晶硅、1万吨多晶硅、300兆瓦电池组件、800兆瓦风机制造的产能,实现了工业硅—单(多)晶硅—切片—太阳能电池组件—光伏电站的新能源全产业链发展。注重本地自然资源、能源开发,形成以中卫沙漠光伏产业园、中宁石空光伏产业园为代表的光伏产业集中发展区和以中卫香山、海原南华山为代表的风电集中发展区。目前,已有40余家新能源发电企业落户中卫,成为工业经济发展的一个重要增长极。

🔹 吴忠市

①全球最大的高性能太阳能产品制造商之一晶澳太阳能(纳斯达克:JASO,以下简称“晶澳”)在宁夏盐池的500MW太阳能组件生产基地正式开工建设。

该500MW太阳能组件项目为晶澳太阳能在国内西北地区首个生产基地,主要用于晶澳高效单晶硅、多晶硅太阳能组件的全自动化生产制造。该项目总投资1.85亿元,已完成前期各项重要审批手续和设计工作。项目全部投产后,预计可实现年销售收入20亿元人民币,解决新增就业岗位500余人。

②汉能吴忠太阳山薄膜发电电站位于宁夏吴忠市太阳山开发区新能源产业园内,东距盐池县约85km,西北距吴忠市约68km,西南距同心县约70km。

目前完工的一期项目装机容量20MWp,占地1541亩,于2012年12月20日正式并网发电,投产后年发电量约为3200.29万度,相当于每年节省标准煤3461吨,减少二氧化碳排放25238吨。电站所采用的太阳能电池组件,是汉能拥有自主知识产权的薄膜太阳能电池产品,它低能耗、无污染,弱光发电性好,在成本上有优势,符合大规模地面薄膜发电电站的发展趋势。

吴忠市太阳山地区,地势平整开阔,交通条件便利,空气洁净度优良,日照辐射强度较好,年日照时数可达到3000小时左右,水平年平均日辐照量4.56kWh/㎡/day,相当于6998.40MJ/㎡,属国家二类光辐射地区,从自然环境上适合发展太阳能;同时太阳山开发区是以风电、薄膜发电新能源为主的移民开发区,耕地少,土地成本低,电网输出线路发达,给新能源发展提供便利条件。

(三)宁夏薄膜太阳能电池发展思考

宁夏属于太阳能富集地区,太阳能光伏可开发规模超过2000万千瓦,地区通过把光伏发电与扶贫攻坚、新农村建设和改善民生相结合,加强技术推广与应用,并取得了一定的成绩。宁夏隆基硅材料有限公司等企业在太阳能电池行业中扮演重要角色,宁夏现在已经初步形成一条从矿石到光伏发电厂的完整产业链。产业链优势逐步体现,一定程度上弱化了宁夏地处西北带来交通不便利等劣势。晶硅太阳能电池行业发展迅速,但薄膜太阳能电池发展相对不足。

根据目前宁夏地区光伏项目显示,大多项目建设基础是沙土等承重性能较好的承载物上,对太阳能电池组的重量要求不高。而薄膜太阳能电池组件的轻巧、灵活性在此类项目中,优势不明显,况且目前的薄膜太阳能电池相对于发展成熟的晶硅太阳能电池而言,成本相对较高。同时,由于太阳能发电入网的相关限制,宁夏本地的光伏发电已呈饱和之势。

目前,大规模商用的太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转化率约25%,多晶硅太阳能电池转化率约19%,商用薄膜太阳能电池根据材质不同,大多转化率在6%~15%之间。而可运用在新能源汽车中的砷化镓薄膜太阳能电池,转化率高达30%左右。薄膜太阳能电池可运用在对电池重量要求严格的领域,如新能源汽车、建筑物外墙和屋顶、便携式充电设备、户外运动等,在这些领域,薄膜太阳能电池具有晶硅电池所不具有的优势。

宁夏新能源相关行业、旅游等行业的快速发展是薄膜太阳能电池行业在自治区发展的契机,但就成本和整体使用效果而言,晶硅太阳能电池仍是主流,薄膜太阳能电池在短期内很难实现突围,在宁夏发展薄膜太阳能电池相关产业,还需等待薄膜太阳能形成较为明朗的市场环境之后,再行投资建设。