薄膜组件蓄势待发!BIPV前景可期
发布日期：2022/3/24
一、光伏组件晶硅为主，薄膜组件中碲化镉组件占比最高
（一）光伏组件以晶硅组件为主，薄膜组件占比 5%左右
光伏组件由一定数量的光伏电池片通过导线串并联连接并加以封装而成，承担光电转换 的功能，是光伏发电系统的核心组成部分。一般来说，在发电系统中，利用大规模光伏 发电组件把太阳能直接转换成直流电，通过直流汇流箱汇总，把 400-800V 的直流电汇入 到光伏逆变器，光伏逆变器将直流电变换成交流电，再通过交流配电柜、升压变压器和 高压开关装置接入电网，向电网输送光伏电量，由电网统一调配向用户供电。
光伏组件的分类方式多种：按结构分类：可分为同质结，异质结，肖特基。按使用材料：可分为晶硅组件、非晶硅薄膜组件。按光电转换机理分类：可分为传统光伏组件、激子光伏组件。
较常用的分类方式是按照材料分为晶硅组件和薄膜组件，晶硅组件进一步的分为单晶硅 和多晶硅，薄膜组件包括碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS），铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs）、 铜锌锡硫（CZTS）多种。
晶硅组件中多晶硅组件占主导地位，技术最为成熟。晶硅组件的光电转化率很高， 技术发展较为成熟，设备投资较低，国产设备已经可以满足电池片生产线大部分的 需求。
薄膜组件是在玻璃、不锈钢等物质表面附上几微米感光材料薄膜，并制作 PN 结从 而形成的太阳能电池。薄膜组件使用材料少、制造工艺简单、耗能少、可大面积连 续生产。同时其弱光效应较好，以薄膜太阳能电池为主要部件的光伏系统，能够很 好实现光伏建筑一体化，但目前光电转化效率整体偏低。薄膜电池现已发展出包括碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS），铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs）、铜锌锡硫（CZTS） 等多种技术路线。
薄膜组件巅峰时期占据 30%市场份额，目前份额被晶硅挤压严重，约占 5%。薄膜组件 刚刚面世初期，凭借成本优势，上世纪 80 年代约占 30%的市场份额，但由于一直无法突 破效率瓶颈，再加上形成规模优势后晶硅价格大幅降低，导致薄膜组件的份额逐渐被挤 压。进入 90 年代之后，晶硅电池在光伏市场中长期占据主导地位，2020 年晶硅组件的 市场份额约为 95%。
（二）碲化镉是最主要的薄膜光伏组件，2019 年产量快速增长
薄膜太阳能电池是在玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成，制作材料 吸光系数很高，从而大大降低了电池整体厚度。薄膜电池现已发展出包括碲化镉（CdTe）、 铜铟硒（CIS），铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs），和铜锌锡硫（CZTS）等多种技术 路线。碲化镉是目前为止市占率最高的薄膜组件类型，另外铜铟镓硒薄膜组件也有部分 企业在涉足，在国内市场占有一定份额。2020 年全球薄膜太阳电池的产能接近 10GW， 产量约为 6.48GW，同比增长 5.5%。从产品类型来看，2020 年碲化镉薄膜电池的产量 约为 6.2GW，在薄膜太阳电池中占比为 95.7%；铜铟镓硒薄膜电池的产量约为 270MW， 占比为 4.2%；硅基薄膜电池产量 10MW，占比不到 1%。
铜铟镓硒（CIGS）组件是指使用化学物质 Cu(铜)、In(铟)、Ga(镓)、Se(硒)通过共蒸发或 后硒化工艺在衬底上形成吸收层的太阳能电池技术，分为溅射法和共蒸发法两种。前者 采用多元素溅射的方式，在柔性衬底上沉积铜铟镓硒功能膜层，后者则通过多元素共蒸 发的方式来实现。铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池组件外形美观、性能稳定、环保节能、温度系数低、弱光效应好，总体发电性能优越；广泛应用于大型地面光伏电站以及国内外 屋顶光伏电站中，尤其适用于光伏建筑一体化。
碲化镉（CdTe）薄膜组件是一种以 p 型 CdTe 和 n 型 CdS 的异质结为基础，在玻璃衬底 上依次沉积多层半导体薄膜而形成的光伏器件。碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单， 其由五层结构组成，即玻璃衬底、透明导电氧化层（TCO 层）、硫化镉（CdS）窗口层、 碲化镉（CdTe）吸收层、背接触层和背电极。
相比其他太阳能发电组件，碲化镉组件有以下特点：
1) 制造成本低。碲化镉薄膜太阳能电池具有较低的制造成本。碲化镉薄膜太阳能电池 的简单结构缩短了生产时间，使制造成本明显下降，全流程生产时间小于 2.5 小时。其次，碲化镉薄膜太阳能电池理论上吸收层厚度在几个微米左右，原材料消耗极少，因而碲化镉电池制造成本较低。
2) 理论转换效率高。碲化镉薄膜太阳能电池具有最高的理论光电转换效率，约为 30%；实验室最高转换销量 22%左右。
3) 温度系数低。温度系数是指太阳能电池组件输出功率随着工作温度的升高而变化的 速率。一般而言，晶体硅太阳能电池组件的温度系数为-0.45%/℃～-0.50%/℃，在光 照较好的地区，组件温度会达到 50 摄氏度，夏天甚至达到 70 摄氏度。碲化镉组件 的温度系数约为-0.25%/℃，更适合于高温等严苛环境。
4) 环境友好。碲化镉不同于有毒的镉，是稳定的化合物，能被安全使用。碲化镉薄膜 组件中碲化镉用量很小，1MW 碲化镉组件仅需约 250 kg 的碲化镉。碲化镉组件的 其他重金属排放（砷、铬、铅、汞、镍等）也比晶硅组件低。
二、BIPV 光伏幕墙为薄膜组件提供新的应用场景
（一）BIPV 给薄膜光伏组件提供新增应用场景
光伏电站可分为集中式电站和分布式电站，分布式与建筑结合可进一步分为 BIPV 和 BAPV。根据中国可再生能源学会光伏专业委员会，分布式光伏系统的适用场合可分为 三类：①各类建筑物和公共建筑；②偏远农牧区、海岛等少电无电地区；③荒山荒坡、 农业大棚或鱼塘禽舍等无电力消费的设施建设。与建筑相结合的分布式光伏系统当中， 可分为附着于建筑物上的光伏系统 BAPV 和与建筑物融为一体的 BIPV，其中与建筑融 为一体、直接替代原有建筑结构的 BIPV 有望成为薄膜组件新增的应用场景。
与建筑结合的分布式电站包括 BAPV 和 BIPV，光伏幕墙是 BIPV 重要应用场景：①BAPV （Building attached photovoltaics），即光伏系统直接覆盖于建筑物表面，系统与建筑物 功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物的功能，也称为“安装型”太阳能光伏建筑；②BIPV（Building integrated photovoltaics），即建筑材料与光伏器件相结成，用光伏器 件直接代替建筑材料，系统作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建 筑构件和建筑材料的功能，也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。光伏幕墙是BIPV 的重要应用场景之一，可最大限度利用建筑的外表面。
2022 年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比达到 70%，通过光伏建筑一体化开发等方式大 力发展绿色建筑和建筑节能。2020 年，住建部等 7 部委发布《关于印发绿色建筑创建行 动方案的通知》，以 2022 年新建绿色建筑占比 70%为目标，推动星级绿色建筑持续增加， 引导政府投资工程率先采用绿色建材，逐步提高城镇新建建筑中绿色建材应用比例。2021 年 5 月，住建部等 15 部门发布《关于加强县城绿色低碳建设的意见》，要求大力发展绿 色建筑和建筑节能，通过提升新建厂房、公共建筑等屋顶光伏比例和实施光伏建筑一体 化开发等方式，降低传统化石能源在建筑用能中的比例。
BIPV 有望持续受益于绿色建筑激励政策。绿色建筑持续推进，获认证产品将被政府项目 优先选用。绿色建筑指在全寿命期内节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、 适用、高效的使用空间，最大限度实现人与自然和谐共生的高质量建筑。2016 年，中共 中央、国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出要推广绿 色建筑和建材，支持和鼓励各地结合资产其后特点推广应用太阳能发电等新能源技术。2019 年，住建部发布新版《绿色建筑评价标准》，主要评价体系由安全耐久、健康舒适、 生活便利、资源节约、环境宜居等方面组成，评分项满分值分别为 100、100、100、200、 100，另外，控制项基础分值及加分项分值分别为 400、100，总得分按照所有分值相加 除以 10 来计算，当总得分分别达到 60 分、70 分、85 分，绿色建筑等级分别为一星级、 二星级、三星级。在资源节约项目中，若建筑由可再生能源提供电量比例超过 4%，则能 够在评分项中获得 10 分。2019 年，市场监管总局、住建部、工信部发布《关于印发绿 色建材产品认证实施方案的通知》，提出在政府投资工程、重点工程、市政公用工程、绿 色建筑和生态城区、装配式建筑等项目中率先采用绿色建材。BIPV 项目作为绿色建筑绿 色建材的重要实现方式，有望持续受益于政策的推进。
（二）碲化镉薄膜组件透光率高、热斑效应弱，更适用于 BIPV 幕墙
相比于晶硅组件，碲化镉薄膜组件具有弱光效应好、透光率高、可定制化外观、热斑效 应弱等特点，相比于晶硅组件更适合用于 BIPV，特别是 BIPV 幕墙。
碲化镉薄膜光伏组件透光效果
1) 弱光效应好。碲化镉薄膜电池的弱光效应是其较于晶硅电池的显著优势。由于碲化 镉薄膜电池的光谱响应范围较宽，在清晨、傍晚，还是阴云雨天等弱光环境下都能 发电。因此，碲化镉薄膜电池每天具有比晶硅电池长得多的发电时间，其实际发电 量要高于晶硅电池。
2) 透光率高，色彩均匀，可以做个性化外观。薄膜光伏组件可以通过激光细镂空技术 提高透光率，并通过 UV 彩打玻璃叠层技术实现花纹定制，碲化镉薄膜组件色放均 匀，整体感强，适合于对美观度要求较高的建筑上使用。晶硅电池较难满足建筑美 观性要求。
3) 热斑效应小，适用于复杂环境。热斑效应是指被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负 载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发 热，形成局部高温。对于晶硅太阳能电池，小的遮挡也可引起大的功率损失。严重 时，热斑效应可导致电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化、栅线毁坏、封装材料老化等永久性损坏，甚至造成整个太阳能组件的报废或重大火灾。薄膜太阳能电池普遍 弱光性能好，所以阴影遮挡对于薄膜电池影响比对晶硅电池小得多，更适合城市内 的幕墙发电。
三、工商业用户性价比高，2025 年有望达到 10GW 级需求
（一）电价差异造成工商业用户安转薄膜组件 BIPV 的性价比较高
性能合适的基础上，用户侧也具备性价比。从性能角度来看，碲化镉薄膜组件凭借弱光 效应好、透光率高等特点，适合用于光伏建筑一体化的 BIPV。如果从用户角度来看，需 要考虑安装碲化镉发电组件的性价比问题，我们通过测算碲化镉薄膜组件相比于普通建 筑幕墙玻璃的价值增量，以及每年发电自用的金额，考察性价比问题。
依据安徽蚌埠市发布的《薄膜太阳能发电系统与建筑一体化规程》，薄膜组件与建筑一体 化的年发电量取决于 4 个因素：水平面太阳辐照总量、发电组件总面积、组件转换效率、 发电系统综合效率。其中各参数的选取：
水平面太阳辐照总量：在《规程》中给出指引，安徽蚌埠地区可将辐照总量取为 1350 千瓦时/平米；
发电组件总面积：因为此处计算单位效率、回收期等，可取单位面积 1 平方；
组件转换效率：根据成都中建材、龙焱科技等碲化镉薄膜企业公布的数据，量产组 件的转换效率基本达到 15-16%左右，实验室转换效率达到 20%左右，此处选择 15% 的转换效率；
发电系统综合效率：晶硅组件的综合效率系数可以达到 0.75-0.85，薄膜组件相比晶 硅组件具有年衰减低、抗遮挡能力强、弱光发电能力强的特点，可以按照 0.85 的上 限选取综合效率系数。
根据《薄膜太阳能发电系统与建筑一体化规程》中的指引和薄膜组件企业的组件转换效 率情况，我们测算 1 平米的碲化镉薄膜发电组件，在水平面辐照总量 1350 千瓦时/平米、 转换效率 15%、发电系统综合销量 0.85 的情况下，一年发电量为 172 千瓦时。
一般的玻璃幕墙报价从 600-1000 元/平米不等，低层幕墙报价大搞在 600-700 元/平米， 高层楼宇幕墙可以达到 1000 元/平米。碲化镉薄膜组件的幕墙，因为即承担了建筑幕墙 的功能，又具备光伏发电的功效，在原有玻璃幕墙的基础上，价值增量约为 500-600 元/ 平米。因为，我们选取 600 元/平米，作为光伏发电功能对应的价值量。
价对于光伏发电的收益存在影响，不同电价导致回报率不同。我们选取民用电 0.5 元/ 千瓦时、工业用电 0.7 元/千瓦时、商业用电 1 元/千瓦时作为测算电价，1 平米碲化镉薄 膜发电组件每年发电量 172 千瓦时，全部自用情况下对应节省电费 86 元、120 元、172 元，600 元的价值增量投资回收期分别对应 7 年、5 年、3.5 年，商业用户由于用电成本 较高，安装薄膜发电组件的性价比较高，我们预计薄膜组件 BIPV 或将在工商业率先推 进。如果从光伏组件单瓦成本角度考察，600 元的价值增量对应每年发电量 172 千瓦时，全 年利用小时数按照 1200 小时测算，则单瓦价格为 600/（172*1000/1200）=4.18 元/W。
（二）2025 年新建建筑有望提供 7-10GW 需求空间
根据上面性价比的分析，工业和商业建筑使用薄膜组件的性价比较高，民用类建筑的投 资回收期需要 7 年，同时民用类建筑的玻璃幕墙本身价格较低，发电组件会使得幕墙的 价格增幅较大。因此，我们仅考虑工业和商业建筑两类的需求情况，分别对应城镇生产 性建筑和城镇公共建筑。
由于碲化镉薄膜组件的应用更适合与建筑幕墙，我们测算未来需求空间时，以建筑的墙 面面积为基础；考虑到碲化镉组件的弱光发电性，假设业主可以在东、南、西三面幕墙 均采用碲化镉薄膜组件。根据中国工业涂料协会的数据，住宅的外墙面积是建筑面积的 0.7 倍，内墙为建筑面积 的 2.5 倍，安装薄膜光伏组件的为建筑外墙，我们以此测算各类建筑的外墙面积。
住宅层高为 2.8-3.2 米左右，假设均值为 3 米，对应外墙面积为建筑面积的 0.7 倍；
写字楼等商业楼宇的层高在 3.2-4.2 米不等，假设均值为 3.8 米，则外墙面积为建筑 面积的 0.9 倍；
工业厂房层一般 5-6 米，单层钢结构的厂房层高超过 8 米，假设均值为 6 米，则外墙面积为建筑面积的 1.4 倍。
过去 5 年，公共建筑和生产性建筑复合增长分别为 7.8%和 7%，保守假设未来值 2025 年 复合增速为 5%；假设未来中性情况下 30%公共建筑和 20%生产性建筑、乐观情况下 40% 公共建筑和 30%生产性建筑安装薄膜发电组件的幕墙，替代东南西三面幕墙，每平米对 应 143W 的装机量。合计来看，中性情况下薄膜组件的安装总量为 7.5GW，乐观情况下 安装总量为 10.8GW。如果考虑现有的建筑替换需求，需求空间将进一步打开。
来源：BIPV在线 作者：华创证券，王彬鹏、王卓星
