太陽能玻璃發展趨勢分析

孫廣斌

太陽能玻璃是指人類在利用和轉化太陽能量的過程中，應用于光電和光熱產品中的特殊玻璃制品，主要分為光電（光伏）玻璃和光熱玻璃。其中，應用于太陽能電池發電領域的太陽能玻璃即為光電（光伏）玻璃，應用于太陽能光熱發電和熱能利用（如太陽能熱水器、太陽能灶、海水淡化等）領域的玻璃即為光熱玻璃。

由于光熱發電技術還不成熟，預計未來光電（光伏）仍是太陽能利用的主要方式。其中，晶硅系列電池是目前的主流技術產品，占市場份額90%，而薄膜電池只占10%。但薄膜電池具有造價低廉、弱光響應范圍廣、能抵抗惡劣環境等優點，若能提高光電轉換率到10%以上，市場較為看好。預計在2015年后國內薄膜太陽能電池將達到30%市場份額，薄膜電池中又以非晶硅薄膜為主，預計將占薄膜電池的60%。所以，為非晶硅薄膜電池配套的浮法玻璃，特別是TCO玻璃有望成為平板玻璃今后的發展趨勢。

1 光電玻璃

從廣義上講，一切應用于光電產品中的玻璃制品都是光電玻璃，包括應用于晶硅電池上的蓋板玻璃、應用于薄膜電池的TCO基板玻璃、背板玻璃和應用于光電建筑一體化的BIPV玻璃，它們（不包括背板玻璃）共同的特點是必須具有高透光率。

1.1 晶硅電池玻璃

晶硅電池玻璃主要應用于單晶硅和多晶硅電池組件的蓋板。目前，98%的晶硅電池采用超白壓延鋼化玻璃作蓋板。

超白壓延鋼化玻璃即對使用壓延成型工藝法生產的超白玻璃基片進行物理鋼化而形成的超白壓延玻璃蓋板。使用壓延工藝的目的是在玻璃表面形成微小而規則的起伏狀花型，通過花型角的作用，減少陽光在玻璃表面反射等損耗，提高在不同陽光入射角度下的綜合透光率，從而提高晶硅電池的光能－電能轉化率。不同廠家生產的壓延玻璃產品，在花型形狀、大小、深淺等上有所不同。對壓延玻璃進行鋼化主要是提高玻璃強度。

超白壓延鋼化玻璃作為晶硅系列電池蓋板，覆蓋在太陽電池組件的正面構成組件的最外層，它既要透光率高，又要起到長期保護電池的作用。

1.2 薄膜電池玻璃

薄膜電池玻璃上采用的鍍膜材料品種較多，主要有非晶硅（a－Si）、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）、染料敏化等材料。目前，薄膜電池所采用的基板材料多為使用浮法成型工藝生產的超白鋼化玻璃。

薄膜電池玻璃的生產主要有在線鍍膜和離線鍍膜兩種。

在線鍍膜玻璃是指在浮法線上直接生產的薄膜玻璃，目前利用在線鍍膜技術生產的鍍膜玻璃有：熱反射玻璃、低輻射玻璃和TCO導電膜玻璃。

離線鍍膜玻璃是指以浮法玻璃生產線生產的玻璃為原片，在另外場地再次利用鍍膜設備進行鍍膜的生產方法。離線鍍膜技術有磁控濺射、溶膠－凝膠、脈沖－激光沉積（PLD）、真空蒸鍍、化學氣相沉積（CVD）等生產工藝。利用這些方法可以生產熱反射鍍膜玻璃、LOW－E鍍膜玻璃、TCO鍍膜玻璃等各種鍍膜玻璃。熱反射鍍膜玻璃、LOW－E鍍膜玻璃主要用于建筑物等，TCO鍍膜玻璃主要用于電子儀器儀表和太陽能電池前電極等。

TCO（Transparent Conducting Oxide）玻璃，即透明導電氧化物鍍膜玻璃，即在平板玻璃表面以在線或離線的方式通過物理或者化學鍍膜的方法均勻鍍上一層透明的導電氧化物薄膜，導電氧化膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其復合多元氧化物薄膜材料。TCO導電膜玻璃可分為摻Sn氧化銦錫透明導電膜玻璃（ITO Coating Glass）、摻F氧化錫氟透明導電膜玻璃（FTO Coating Glass）和摻Al氧化鋅鋁透明導電膜玻璃（AZO Coating Glass）3種。

與傳統的單晶硅和多晶硅光伏材料相比，薄膜太陽能電池具有環保、低成本、低能耗的優勢，已被越來越多的太陽能電池生產廠商采用。

2 光熱玻璃

光熱發電（CSP）原理為：超白浮法玻璃基片→經過彎鋼化制成曲面反射聚光鏡 （即定日鏡）→兩次反射太陽光，將太陽光匯聚反射到真空玻璃管聚光器上→加熱玻璃管中流動的熔融鹽或油質液體使其溫度升高到300℃以上→熔融鹽或油將熱能傳導給蓄水的熱交換罐→通過熱交換產生高溫高壓的水蒸氣→帶動渦輪發電機發電。

聚光光伏（CPV）發電原理基本與光熱發電類似，僅聚光光伏發電是利用光學系統（定日鏡跟蹤），將太陽能匯聚到高倍聚光太陽能電池芯片［代表性電池是砷化鎵（GaAs）］上，然后再利用光伏效應把光能轉化為電能的發電技術。在業界它被看作是能取代部分晶硅市場的第三代光伏技術（第一代、第二代分別是晶硅和薄膜技術）。

上述光熱發電和聚光光伏發電所用的聚光玻璃就稱為光熱發電玻璃。光熱利用就是利用太陽能加熱玻璃容器中的物質，使之轉化成熱能被人們所利用，例如太陽能干燥房、太陽能蒸發器等。

3 太陽能玻璃發展趨勢分析

目前能商業化運作的太陽能有：晶硅電池發電、薄膜電池發電、聚光電池發電、光熱發電和光熱利用幾大類。

由于晶硅系列電池技術門檻較低，技術也最成熟，同時光電轉換率遠高于薄膜電池，現在約占市場份額的90%，薄膜電池占10%。預計在未來3～5年仍以晶硅電池發電為主，但是由于其環境污染大、制造成本高于薄膜電池，故又制約了其高速發展。薄膜太陽能電池具有造價低廉、弱光響應范圍廣、能抵抗惡劣環境等優點，若能提高光電轉換率，市場較為看好。國家將在“十二五”期間重點發展非晶與微晶相結合的疊層和多結薄膜電池，為了降低薄膜電池的光致衰減，鼓勵企業研發大面積高效率硅薄膜電池。所以，預計在2015年后國內薄膜太陽能電池將達到30%市場份額，薄膜電池中又以非晶硅薄膜為主，預計將占薄膜電池的60%。

在光熱發電方面，主要制約因素在建設投資大、運行費用高和玻璃管與金屬件封裝技術上，這些問題解決了光熱發電將迅速發展。

雖然目前占主流的晶硅太陽能電池轉換率高、技術成熟，但它存在的最大問題除了主要原料多晶硅或單晶硅制造工序復雜（從采礦、冶煉、提純，到拉晶園、切片、酸洗、蝕刻、封裝等有10多個環節）、制造能耗大（為將硅材料制成適用于電池的硅片，需要消耗相當多的電能。據專家測算，在我國中等光照條件的地區，安裝一個1MW的太陽能光伏發電系統，年發電量約為120萬千瓦時；而1MW的晶硅電池，在生產過程中耗電300萬千瓦時以上，也就是說，需要近3年的時間，方可平衡其自身的耗電量）、切片材料利用率低、生產周期長、成本高外，更主要的是太陽能本身作為一種可再生的清潔能源，而晶硅電池在制造太陽能電池過程中需要大量消耗不可再生資源，同時還帶來環境污染，從而使其環保效益大打折扣。

對薄膜電池來說，薄膜電池的弱點是：光電轉換效率低、投資成本相對比較高、占地面積大（若同樣建設電站，薄膜要比晶硅電池大2～3倍）。而薄膜電池制造工序簡單、能耗少（薄膜電池在制作過程中能耗較小，電池投入發電后一年半的電量就可彌補制造時所消耗的能量）、無污染材料消耗少（與晶硅電池相比，薄膜電池可以降低97%的硅原料使用，這在根源上使得薄膜電池更加環保、綠色），能避免晶硅電池的制造過程中的許多缺陷。以電耗為例，晶體硅由于使用的硅層較厚，晶硅層從冶煉、提純、到澆注、切片，工序較多，每個環節消耗的電能也都較多；而非晶硅電池由于薄膜層非常薄，僅為晶體硅的1／100，而且工序簡單，故耗電量較低，非晶硅總體耗電只有晶體硅組件生產電耗的1／6。非晶硅薄膜電池的主要材料為普通玻璃、硅烷氣體、氧化錫、氧化鋅和鋁等，這些材料市場供應充足，沒有原料瓶頸，且非晶硅薄膜電池生產過程中只有極少量尾氣排出，經過燃燒處理可實現零排放。此外，由于薄膜電池弱光性好，適用的陽光強度范圍廣，受天氣的影響小，承受的溫度高，功率不太容易受溫度影響。所以，適應范圍廣，能在更廣的環境下發電。

在薄膜太陽能電池中，銅銦鎵硒（CIGS）和碲化鎘（CdTe）薄膜電池分別有著原料瓶頸和環保問題。銅銦鎵硒薄膜電池優點是高效率、高穩定性。但其缺點是設備昂貴、技術難度大、成本比較高，更主要的是銦和鎵均為稀有金屬，銦全球儲量僅約2萬t只可供給400GW電池需要，且這些稀有金屬同樣用于液晶顯示器，其原料瓶頸很快就會凸顯。碲化鎘薄膜電池結構和生產工藝雖較為簡單，但作為核心層的CdTe半導體薄膜主要成分所使用的鎘是有毒的重金屬，在生產和應用過程中會對環境造成嚴重污染，而且碲的儲量也會限制這種薄膜電池的發展，這就導致將來大規模生產后原材料的供應成為一種隱憂。所以，這種電池只能在一定規模下，在晶硅電池價格居高不下，高純硅材料產能不夠的情況下起到一個緩沖作用，真正大規模的生產并占有較大的市場份額是值得懷疑的。上述這兩種薄膜電池均無法與非晶硅薄膜電池的低能耗、零污染、無原料瓶頸優勢相競爭。雖然目前美國第一太陽能（First Solar）公司生產的碲化鎘薄膜電池在全球市場上占用絕對優勢，2012年產能為世界第一。但是，從長遠的環保角度看，這種電池無法最終成為民用薄膜電池發展的主流和方向。

薄膜電池獨特的優勢使得發展前景廣闊：轉換效率和生產成本改善空間巨大，生產工序相對簡單、生產能耗少，應用范圍廣泛。鑒于薄膜太陽能電池在技術開發上已超越傳統的硅電池，生產成本也迅速跟上市場競爭的需要，而結晶硅制造資源材料短缺，獲取非常困難。所以2015年之前是薄膜硅和結晶硅齊頭并進，2015年后將是薄膜硅成為主流。

中國企業也看到了薄膜電池的良好遠景，各個企業產能飛速擴張。目前國內生產薄膜電池的生產線大約有40余條，其中引進設備的有8～9條，引進美國、歐洲、日本生產線的有10條，每條線產能在40MW左右，另有20多條仿制國外設備的2.5～5MW的產能低的小型非晶硅薄膜生產線。按照國內目前各廠商的擴產計劃，國內薄膜太陽能電池企業的大幅擴產將拉動TCO玻璃需求高增長。按每50 Wp薄膜太陽能電池大約使用1m2的TCO玻璃計算，國內薄膜太陽能電池企業大幅擴產將拉動TCO導電薄膜構成組件的高速增長，而太陽能的TCO基片一般都使用超白浮法玻璃，目前太陽能TCO玻璃提供有限，因此需求空間很大。長期來看，薄膜電池出路主要在于應用產品，不是大型發電站項目。未來隨著BIPV（建筑光伏一體化）市場的逐步擴大，薄膜電池將成為主流產品。

目前有一部分人認為，薄膜電池存在以下兩方面問題制約其發展：

1）投資昂貴。雖然非晶硅電池的原料成本低，但加上在生產過程中同步產生的設備成本、運輸成本，其系統成本相比晶硅電池并不具有明顯優勢。2）目前非晶硅薄膜電池的光電轉換效率僅為6%～8%左右，與晶體硅電池18%的轉換率仍有相當大的差距。薄膜太陽能電池在轉換率只有6%或8%的情況下，很難和晶體硅電池競爭。長遠來看，薄膜太陽能電池的轉換效率必須要達到10%及以上才有競爭力。

如果上述問題在技術進步上予以解決，薄膜電池仍將具備相當的競爭力：1）設備昂貴主要是國外壟斷的結果，如果打破壟斷，自己制造，投資成本就會大幅度下降。據國內薄膜電池領軍企業強生光電董事長沙曉林測算，引進設備折舊費用分攤到每瓦要0.3元多，而自建設備的折舊費用每瓦只要0.05元。2）至于轉換率的問題，應理解為在不同應用領域誰更有優勢的問題。薄膜電池在早晚、陰天等弱光條件下仍可產生電能，因此，在同樣地理和氣象條件下，全年發電量比晶體硅電池高出10%～15%。而晶硅電池在溫度超過50℃之后會有明顯衰減。因此，在陽光照射強的地區晶體硅電池效果反而差。而薄膜電池在高溫下只有微弱衰減，特別適合用于高溫、荒漠地區建設電站。

4 結 語

綜上所述，作為太陽能電池的材料，銅銦鎵硒、碲化鎘、砷化鎵由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽能電池轉換效率很高，但從材料來源來看，這類太陽能電池將來不可能占據主導地位；而有機納米TiO2的染料敏化太陽能電池雖然有廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能，制作成本僅為晶硅太陽能電池的1／5～1／10，但由于它的研究剛起步，技術不是很成熟，轉換效率比較低，還處于探索階段，短時間內不可能替代現有太陽能電池。

因此，就薄膜電池系列而言，從轉換效率和材料的來源角度講，今后發展的重點仍是以非晶硅太陽能薄膜電池為主；就整體太陽能電池而言，當非晶硅薄膜電池光電轉換率達到10%以上時，將最終成為市場的主導產品。所以，為非晶硅薄膜電池配套的浮法玻璃，特別是TCO玻璃將是平板玻璃今后的又一發展趨勢。

［1］陳其玨，王曉華.薄膜電池業連遭重創 明年有望“咸魚翻身”［N］.上海證券報，2010－09－16.

［2］陳宏斌.薄膜太陽能電池曙光乍現［N］.國家電網報，2011－10－20.

［3］陳其玨.薄膜電池業連遭重創明年有望翻身［N］.中國高新技術產業導報，2010－09－27.

［4］方 立，管 旭.TCO鍍膜玻璃生產線控制系統設計及模塊化編程實踐［J］.自動化博覽，2011，29（S1）：52－55.