如鱼得水!建筑光伏一体化(BIPV)为薄膜电池产业带来新发展
发布日期：2022/12/2
薄膜电池具有理论转换效率高、厚度薄、透光性良好、温度系数低等优点，得到了BIPV领域关注。住建部发布的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》要求全国新增建筑太阳能光伏装机容量0.5亿千瓦以上，将推进BIPV进一步发展，从而带动薄膜电池的扩张。预计2025年我国薄膜电池在建筑立面市场的新增装机量达到5.09GW，在建筑屋顶市场的新增装机量达到3.06GW。
1 光伏薄膜电池简介
薄膜电池——光伏市场新的发展方向
太阳电池是光伏产业的核心，目前太阳电池主要分为三类：晶硅电池、薄膜电池、新概念电池。其中，晶硅电池是目前市场主流的太阳能电池，市场占比超90%。薄膜电池主要为化合物类（碲化镉、铜铟镓硒、III-IV组、钙钛矿等）电池。新概念电池包括多带隙光伏电池、热载流子光伏电池、叠层光伏电池等，目前大多处于实验室研发阶段。
随着占主流市场的晶硅电池的发展，其光电转化效率（26.7%）已接近理论极限（29.4%），难以进一步发展。薄膜电池凭着其高理论转换效率和低廉的成本有望成为光伏市场的又一新的增长点。2021 年全球薄膜电池产量约为 8.28GW，同比增长27.7%。
图1. 全球薄膜电池产量变化
数据来源：光大证券研究所
薄膜电池是通过在玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成的电池。目前薄膜电池中实现量产和商业化应用的技术路线有碲化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜电池。其中，碲化镉电池是商业化最成功的薄膜电池，2020年产量达6.2GW左右，总量占薄膜电池总产量的70%以上。钙钛矿电池伴随研发逐步成熟，多家企业正在建设或规划钙钛矿产线，未来潜力巨大，将对光伏组件市场份额构成一定影响。
图2.不同类型薄膜电池占全部光伏组件市场份额变化
资料来源：Fraunhofer ISE，中信建投
薄膜电池的性能特点
（1）转化效率提升潜力大。碲化镉电池实验室最高转换效率为22.1%，量产大组件最高转换效率为19.5%，铜铟镓硒电池实验室最高转换效率为23.4%，量产小组件最高转换效率为19.2%。钙钛矿电池出现时间晚，但效率提升速度快，实验室最高转换效率可达25.7%，小组件最高转换效率为20.2 %。薄膜电池的理论转化效率在30%以上，现有结果表明，其转换效率提升空间较大。
（2）薄膜电池生产成本低，生产流程短。与晶硅电池相比，薄膜电池的生产流程短，晶硅电池的生产环节大多需要重资本投入，且生产流程非常复杂。薄膜电池的吸收层通常采用PECVD法、磁控溅射法制备，可在一个沉积室内完成，实现大批量生产，在规模化生产之后投资有望快速下降。
（3）潜在市场空间广阔。薄膜电池既可制成刚性组件，也可以制成柔性电池，适用于建筑物曲面屋顶等处使用。薄膜电池最主要的应用场景在光伏建筑一体化（BIPV）市场。
2 BIPV发展带来薄膜电池市场扩容
薄膜电池在建筑光伏一体化（BIPV）中有多样化的应用形式。BIPV是将光伏系统组件作为建筑材料直接与建筑系统结合的分布式发电系统，其应用场景包括建筑的屋顶、幕墙系统、门窗、采光天窗、外部集成装置、光伏预制系统等建筑外部接受光照的部分，根据建筑物设计方案的不同，薄膜电池可在多个场景中使用。
图3. BIPV在建筑中的应用
资料来源：中金公司
BIPV市场将迎来快速发展
BIPV市场处于起步阶段，在政策段不断加码、经济效益持续提升的推动下，BIPV有望迎来高景气度，薄膜电池市场将顺势快速扩容。
（1）政策端推动BIPV快速发展
我国碳排放总量逐年上升，建筑环节全流程碳排放占比超50%。采用建筑表面光伏发电来实现节电、产电是建筑物减碳的关键途径。2022 年4 月1 日起《建筑节能与可再生能源利用通用规范》实施，建筑能耗下降及建筑减碳成为强制性标准，部分省份要求新建建筑必须安装分布式光伏，BIPV确定性增强。
我国各地方政府因地制宜推出补贴政策，缓解投资压力并提高BIPV安装吸引力。为提高BIPV的覆盖率，地方政府根据自身省份光伏安装条件以及经济发展程度对当地安装 BIPV的投资方提供补贴，主动安装BIPV的可能性提升。
（2）经济效益吸引业主及服务商
从经济效益来看，尽管目前 BIPV 幕墙的单位造价要高于普通幕墙，但由于后续发电能不断带来收益，因此从长期来看其经济效益更好。
对于业主方：能源价格上涨带动电力供应紧张，BIPV 可减轻用电压力。对于服务商：从建造成本来看，光电建筑的成本是动态变化的，随着时间的推延，成本在发电的持续收入下不断抵消。从组件端看，随着分布式光伏的技术成熟，投资安装光伏设备的成本不断下滑，经济效益进一步提升。
图4.屋顶光伏未来初始投资成本下降
BIPV领域中薄膜电池的优势
BIPV是薄膜电池首要切入的市场，薄膜电池在BIPV领域的优势主要有以下几点：
（1）可塑性好。晶硅电池组件的电池片厚度达100μm，柔韧性较差。薄膜电池光电转换层一般厚度仅为 0.3-2μm，柔韧性较好，具有良好的可塑性和易加工性，在BIPV 中的使用场景将更加广泛。
（2）透光性能优异。透光率较低的晶硅电池用于窗户时，将严重影响窗外景物的视觉效果。而薄膜太阳能电池可通过制备透明导电层以及超薄的背电极层来实现组件的高透光率，以满足建筑物对于不同光线强度的需求。
（3）温度系数低，热斑效应小。薄膜电池工作电流较小，热斑效应远小于晶硅组件。城市中的温度相对较高，且城市建筑上建造 BIPV 的复杂性更高，因此低温度系数和弱热斑效应的薄膜电池更适合BIPV。
（4）光吸收系数高。薄膜电池的化合层能带值范围较大，可覆盖更多太阳光光谱，光吸收系数更高。
不同透光度的碲化镉薄膜组件 图片来源：龙焱能源科技
BIPV中薄膜电池的产业链及生产流程
（1）产业链
在BIPV项目流程中，薄膜电池产业链上游主要为超薄浮法玻璃和靶材、透明导电膜玻璃（TCO）制造、中游为薄膜电池制造、下游为BIPV幕墙制造与安装。其中TCO层是薄膜电池最为重要的配件之一，起到透光和导电作用。
图5.BIVP项目中薄膜电池产业链上下游
资料来源：SUPSI，头豹产业研究院，中信建投
（2）生产流程
薄膜电池生产流程如图所示。生产流程主要分为三大部分：薄膜沉积、活化后处理、组件封装，其中薄膜沉积技术是核心工艺。
薄膜沉积主要是为制备光电转换各层介质；活化后处理是经过退火、腐蚀等处理提高组件性能；组件封装是保证组件使用寿命的关键环节，包括组件封装、接线盒封装、测试分拣、最终封装。
图6.薄膜电池生产流程
资料来源：中信建投
薄膜电池在BIPV应用
BIPV可利用空间主要集中在屋顶和立面两个方向，屋顶光伏中晶硅电池占据绝对优势，然而对于城市空间，高层建筑立面面积远高于屋顶面积，建筑立面发电也将是未来发展的主要方向。薄膜电池在建筑立面的应用有得天独厚的优势：1、弱光性好，对入射光角度适应性强，而太阳光照射到立面具有一定倾角；2、温度系数较小，高温下功率损失小，而立面通风条件差经常导致组件工作环境温度较高；3、热斑效应小，从建筑消防安全角度来看，薄膜电池更小的热板效应更适合应用于建筑外立面；4、建筑外立面对美感属性更为看中，薄膜电池相较于晶硅电池与建筑属性更为匹配。薄膜电池将是建筑立面发电较好的选择。
目前，在外立面应用中，薄膜电池占比56%、晶硅电池占比44%。在建筑外立面应用场景中，幕墙在建筑外立面中的面积占比较高，是BIPV的主要应用场景，光伏幕墙是光伏组件与传统建筑幕墙的主要结合形式。随着钙钛矿电池产业化的逐步成熟，薄膜电池对建筑外立面市场占据将进一步增大。
图7.2018年BIPV建筑屋面和外立面的光伏电池技术占比
资料来源：European Commission，中信建投
3 薄膜电池在BIPV中的市场规模
目前BIPV市场处于起步阶段，在政策段不断加码、经济效益持续提升的推动下，BIPV有望迎来高景气度，薄膜电池市场将顺势快速扩容。2019年和2020年全球BIPV装机总量分别达1.15GW和2.3GW，约占全球光伏总装机量的1%。根据Grand View Research发布的数据显示，2020年全球BIPV市场规模达到144亿美元。我国BIPV市场空间较大，根据中国光伏行业协会光电建筑专委会的统计数据显示，2020年全年我国前六家建筑光电企业BIPV总装机容量约709MW，仅前六家企业装机量的全球占比已达30%。
薄膜电池的发展主要受益于新建立面BIPV，根据中信建投测算2022年-2025年薄膜电池年均新增装机量3.44GW。预计2025年我国薄膜电池在新建立面市场中的新增装机量规模为 5.09GW，市场规模为101亿元。2022年-2025 年年均复合增长率达41.39%。
表1.薄膜电池在新建立面市场中的新增装机量规模
薄膜新增屋顶主要受益于碳达峰目标，根据国务院印发《关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》显示，到 2025 年，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到 50%。根据中信建投数据，预计2025年屋顶有望为薄膜电池提供3.06GW 的新增装机量，市场规模61.2亿元。
表2.薄膜电池在新建屋顶市场中的新增装机量规模
结语
薄膜电池凭借着其较薄的厚度、优异的透光性、较小的温度系数和高吸光系数得到BIPV领域的青睐。随着政策端和市场端的发展，BIPV未来发展前景广阔，薄膜电池的市场空间也将快速扩容，预计2025年我国薄膜电池在建筑立面市场的新增装机量达到5.09GW，在建筑屋顶市场的新增装机量达到3.06GW。
来源：BIPV在线 作者：姚瑶，蔡欣治 (中铝创投基金 )
