太阳能玻璃发展趋势分析

孙广斌

太阳能玻璃是指人类在利用和转化太阳能量的过程中，应用于光电和光热产品中的特殊玻璃制品，主要分为光电（光伏）玻璃和光热玻璃。其中，应用于太阳能电池发电领域的太阳能玻璃即为光电（光伏）玻璃，应用于太阳能光热发电和热能利用（如太阳能热水器、太阳能灶、海水淡化等）领域的玻璃即为光热玻璃。

由于光热发电技术还不成熟，预计未来光电（光伏）仍是太阳能利用的主要方式。其中，晶硅系列电池是目前的主流技术产品，占市场份额90%，而薄膜电池只占10%。但薄膜电池具有造价低廉、弱光响应范围广、能抵抗恶劣环境等优点，若能提高光电转换率到10%以上，市场较为看好。预计在2015年后国内薄膜太阳能电池将达到30%市场份额，薄膜电池中又以非晶硅薄膜为主，预计将占薄膜电池的60%。所以，为非晶硅薄膜电池配套的浮法玻璃，特别是TCO玻璃有望成为平板玻璃今后的发展趋势。

1 光电玻璃

从广义上讲，一切应用于光电产品中的玻璃制品都是光电玻璃，包括应用于晶硅电池上的盖板玻璃、应用于薄膜电池的TCO基板玻璃、背板玻璃和应用于光电建筑一体化的BIPV玻璃，它们（不包括背板玻璃）共同的特点是必须具有高透光率。

1.1 晶硅电池玻璃

晶硅电池玻璃主要应用于单晶硅和多晶硅电池组件的盖板。目前，98%的晶硅电池采用超白压延钢化玻璃作盖板。

超白压延钢化玻璃即对使用压延成型工艺法生产的超白玻璃基片进行物理钢化而形成的超白压延玻璃盖板。使用压延工艺的目的是在玻璃表面形成微小而规则的起伏状花型，通过花型角的作用，减少阳光在玻璃表面反射等损耗，提高在不同阳光入射角度下的综合透光率，从而提高晶硅电池的光能－电能转化率。不同厂家生产的压延玻璃产品，在花型形状、大小、深浅等上有所不同。对压延玻璃进行钢化主要是提高玻璃强度。

超白压延钢化玻璃作为晶硅系列电池盖板，覆盖在太阳电池组件的正面构成组件的最外层，它既要透光率高，又要起到长期保护电池的作用。

1.2 薄膜电池玻璃

薄膜电池玻璃上采用的镀膜材料品种较多，主要有非晶硅（a－Si）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、染料敏化等材料。目前，薄膜电池所采用的基板材料多为使用浮法成型工艺生产的超白钢化玻璃。

薄膜电池玻璃的生产主要有在线镀膜和离线镀膜两种。

在线镀膜玻璃是指在浮法线上直接生产的薄膜玻璃，目前利用在线镀膜技术生产的镀膜玻璃有：热反射玻璃、低辐射玻璃和TCO导电膜玻璃。

离线镀膜玻璃是指以浮法玻璃生产线生产的玻璃为原片，在另外场地再次利用镀膜设备进行镀膜的生产方法。离线镀膜技术有磁控溅射、溶胶－凝胶、脉冲－激光沉积（PLD）、真空蒸镀、化学气相沉积（CVD）等生产工艺。利用这些方法可以生产热反射镀膜玻璃、LOW－E镀膜玻璃、TCO镀膜玻璃等各种镀膜玻璃。热反射镀膜玻璃、LOW－E镀膜玻璃主要用于建筑物等，TCO镀膜玻璃主要用于电子仪器仪表和太阳能电池前电极等。

TCO（Transparent Conducting Oxide）玻璃，即透明导电氧化物镀膜玻璃，即在平板玻璃表面以在线或离线的方式通过物理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，导电氧化膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。TCO导电膜玻璃可分为掺Sn氧化铟锡透明导电膜玻璃（ITO Coating Glass）、掺F氧化锡氟透明导电膜玻璃（FTO Coating Glass）和掺Al氧化锌铝透明导电膜玻璃（AZO Coating Glass）3种。

与传统的单晶硅和多晶硅光伏材料相比，薄膜太阳能电池具有环保、低成本、低能耗的优势，已被越来越多的太阳能电池生产厂商采用。

2 光热玻璃

光热发电（CSP）原理为：超白浮法玻璃基片→经过弯钢化制成曲面反射聚光镜 （即定日镜）→两次反射太阳光，将太阳光汇聚反射到真空玻璃管聚光器上→加热玻璃管中流动的熔融盐或油质液体使其温度升高到300℃以上→熔融盐或油将热能传导给蓄水的热交换罐→通过热交换产生高温高压的水蒸气→带动涡轮发电机发电。

聚光光伏（CPV）发电原理基本与光热发电类似，仅聚光光伏发电是利用光学系统（定日镜跟踪），将太阳能汇聚到高倍聚光太阳能电池芯片［代表性电池是砷化镓（GaAs）］上，然后再利用光伏效应把光能转化为电能的发电技术。在业界它被看作是能取代部分晶硅市场的第三代光伏技术（第一代、第二代分别是晶硅和薄膜技术）。

上述光热发电和聚光光伏发电所用的聚光玻璃就称为光热发电玻璃。光热利用就是利用太阳能加热玻璃容器中的物质，使之转化成热能被人们所利用，例如太阳能干燥房、太阳能蒸发器等。

3 太阳能玻璃发展趋势分析

目前能商业化运作的太阳能有：晶硅电池发电、薄膜电池发电、聚光电池发电、光热发电和光热利用几大类。

由于晶硅系列电池技术门槛较低，技术也最成熟，同时光电转换率远高于薄膜电池，现在约占市场份额的90%，薄膜电池占10%。预计在未来3～5年仍以晶硅电池发电为主，但是由于其环境污染大、制造成本高于薄膜电池，故又制约了其高速发展。薄膜太阳能电池具有造价低廉、弱光响应范围广、能抵抗恶劣环境等优点，若能提高光电转换率，市场较为看好。国家将在“十二五”期间重点发展非晶与微晶相结合的叠层和多结薄膜电池，为了降低薄膜电池的光致衰减，鼓励企业研发大面积高效率硅薄膜电池。所以，预计在2015年后国内薄膜太阳能电池将达到30%市场份额，薄膜电池中又以非晶硅薄膜为主，预计将占薄膜电池的60%。

在光热发电方面，主要制约因素在建设投资大、运行费用高和玻璃管与金属件封装技术上，这些问题解决了光热发电将迅速发展。

虽然目前占主流的晶硅太阳能电池转换率高、技术成熟，但它存在的最大问题除了主要原料多晶硅或单晶硅制造工序复杂（从采矿、冶炼、提纯，到拉晶园、切片、酸洗、蚀刻、封装等有10多个环节）、制造能耗大（为将硅材料制成适用于电池的硅片，需要消耗相当多的电能。据专家测算，在我国中等光照条件的地区，安装一个1MW的太阳能光伏发电系统，年发电量约为120万千瓦时；而1MW的晶硅电池，在生产过程中耗电300万千瓦时以上，也就是说，需要近3年的时间，方可平衡其自身的耗电量）、切片材料利用率低、生产周期长、成本高外，更主要的是太阳能本身作为一种可再生的清洁能源，而晶硅电池在制造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，从而使其环保效益大打折扣。

对薄膜电池来说，薄膜电池的弱点是：光电转换效率低、投资成本相对比较高、占地面积大（若同样建设电站，薄膜要比晶硅电池大2～3倍）。而薄膜电池制造工序简单、能耗少（薄膜电池在制作过程中能耗较小，电池投入发电后一年半的电量就可弥补制造时所消耗的能量）、无污染材料消耗少（与晶硅电池相比，薄膜电池可以降低97%的硅原料使用，这在根源上使得薄膜电池更加环保、绿色），能避免晶硅电池的制造过程中的许多缺陷。以电耗为例，晶体硅由于使用的硅层较厚，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，非晶硅总体耗电只有晶体硅组件生产电耗的1／6。非晶硅薄膜电池的主要材料为普通玻璃、硅烷气体、氧化锡、氧化锌和铝等，这些材料市场供应充足，没有原料瓶颈，且非晶硅薄膜电池生产过程中只有极少量尾气排出，经过燃烧处理可实现零排放。此外，由于薄膜电池弱光性好，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。所以，适应范围广，能在更广的环境下发电。

在薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）薄膜电池分别有着原料瓶颈和环保问题。铜铟镓硒薄膜电池优点是高效率、高稳定性。但其缺点是设备昂贵、技术难度大、成本比较高，更主要的是铟和镓均为稀有金属，铟全球储量仅约2万t只可供给400GW电池需要，且这些稀有金属同样用于液晶显示器，其原料瓶颈很快就会凸显。碲化镉薄膜电池结构和生产工艺虽较为简单，但作为核心层的CdTe半导体薄膜主要成分所使用的镉是有毒的重金属，在生产和应用过程中会对环境造成严重污染，而且碲的储量也会限制这种薄膜电池的发展，这就导致将来大规模生产后原材料的供应成为一种隐忧。所以，这种电池只能在一定规模下，在晶硅电池价格居高不下，高纯硅材料产能不够的情况下起到一个缓冲作用，真正大规模的生产并占有较大的市场份额是值得怀疑的。上述这两种薄膜电池均无法与非晶硅薄膜电池的低能耗、零污染、无原料瓶颈优势相竞争。虽然目前美国第一太阳能（First Solar）公司生产的碲化镉薄膜电池在全球市场上占用绝对优势，2012年产能为世界第一。但是，从长远的环保角度看，这种电池无法最终成为民用薄膜电池发展的主流和方向。

薄膜电池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。鉴于薄膜太阳能电池在技术开发上已超越传统的硅电池，生产成本也迅速跟上市场竞争的需要，而结晶硅制造资源材料短缺，获取非常困难。所以2015年之前是薄膜硅和结晶硅齐头并进，2015年后将是薄膜硅成为主流。

中国企业也看到了薄膜电池的良好远景，各个企业产能飞速扩张。目前国内生产薄膜电池的生产线大约有40余条，其中引进设备的有8～9条，引进美国、欧洲、日本生产线的有10条，每条线产能在40MW左右，另有20多条仿制国外设备的2.5～5MW的产能低的小型非晶硅薄膜生产线。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大幅扩产将拉动TCO玻璃需求高增长。按每50 Wp薄膜太阳能电池大约使用1m2的TCO玻璃计算，国内薄膜太阳能电池企业大幅扩产将拉动TCO导电薄膜构成组件的高速增长，而太阳能的TCO基片一般都使用超白浮法玻璃，目前太阳能TCO玻璃提供有限，因此需求空间很大。长期来看，薄膜电池出路主要在于应用产品，不是大型发电站项目。未来随着BIPV（建筑光伏一体化）市场的逐步扩大，薄膜电池将成为主流产品。

目前有一部分人认为，薄膜电池存在以下两方面问题制约其发展：

1）投资昂贵。虽然非晶硅电池的原料成本低，但加上在生产过程中同步产生的设备成本、运输成本，其系统成本相比晶硅电池并不具有明显优势。2）目前非晶硅薄膜电池的光电转换效率仅为6%～8%左右，与晶体硅电池18%的转换率仍有相当大的差距。薄膜太阳能电池在转换率只有6%或8%的情况下，很难和晶体硅电池竞争。长远来看，薄膜太阳能电池的转换效率必须要达到10%及以上才有竞争力。

如果上述问题在技术进步上予以解决，薄膜电池仍将具备相当的竞争力：1）设备昂贵主要是国外垄断的结果，如果打破垄断，自己制造，投资成本就会大幅度下降。据国内薄膜电池领军企业强生光电董事长沙晓林测算，引进设备折旧费用分摊到每瓦要0.3元多，而自建设备的折旧费用每瓦只要0.05元。2）至于转换率的问题，应理解为在不同应用领域谁更有优势的问题。薄膜电池在早晚、阴天等弱光条件下仍可产生电能，因此，在同样地理和气象条件下，全年发电量比晶体硅电池高出10%～15%。而晶硅电池在温度超过50℃之后会有明显衰减。因此，在阳光照射强的地区晶体硅电池效果反而差。而薄膜电池在高温下只有微弱衰减，特别适合用于高温、荒漠地区建设电站。

4 结 语

综上所述，作为太阳能电池的材料，铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源来看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位；而有机纳米TiO2的染料敏化太阳能电池虽然有廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能，制作成本仅为晶硅太阳能电池的1／5～1／10，但由于它的研究刚起步，技术不是很成熟，转换效率比较低，还处于探索阶段，短时间内不可能替代现有太阳能电池。

因此，就薄膜电池系列而言，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是以非晶硅太阳能薄膜电池为主；就整体太阳能电池而言，当非晶硅薄膜电池光电转换率达到10%以上时，将最终成为市场的主导产品。所以，为非晶硅薄膜电池配套的浮法玻璃，特别是TCO玻璃将是平板玻璃今后的又一发展趋势。

［1］陈其珏，王晓华.薄膜电池业连遭重创 明年有望“咸鱼翻身”［N］.上海证券报，2010－09－16.

［2］陈宏斌.薄膜太阳能电池曙光乍现［N］.国家电网报，2011－10－20.

［3］陈其珏.薄膜电池业连遭重创明年有望翻身［N］.中国高新技术产业导报，2010－09－27.

［4］方 立，管 旭.TCO镀膜玻璃生产线控制系统设计及模块化编程实践［J］.自动化博览，2011，29（S1）：52－55.