太陽(yáng)能玻璃發(fā)展趨勢(shì)分析

孫廣斌

太陽(yáng)能玻璃是指人類在利用和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能量的過程中，應(yīng)用于光電和光熱產(chǎn)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(yīng)用于太陽(yáng)能電池發(fā)電領(lǐng)域的太陽(yáng)能玻璃即為光電（光伏）玻璃，應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電和熱能利用（如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能灶、海水淡化等）領(lǐng)域的玻璃即為光熱玻璃。

由于光熱發(fā)電技術(shù)還不成熟，預(yù)計(jì)未來光電（光伏）仍是太陽(yáng)能利用的主要方式。其中，晶硅系列電池是目前的主流技術(shù)產(chǎn)品，占市場(chǎng)份額90%，而薄膜電池只占10%。但薄膜電池具有造價(jià)低廉、弱光響應(yīng)范圍廣、能抵抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，若能提高光電轉(zhuǎn)換率到10%以上，市場(chǎng)較為看好。預(yù)計(jì)在2015年后國(guó)內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池將達(dá)到30%市場(chǎng)份額，薄膜電池中又以非晶硅薄膜為主，預(yù)計(jì)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(fā)展趨勢(shì)。

1 光電玻璃

從廣義上講，一切應(yīng)用于光電產(chǎn)品中的玻璃制品都是光電玻璃，包括應(yīng)用于晶硅電池上的蓋板玻璃、應(yīng)用于薄膜電池的TCO基板玻璃、背板玻璃和應(yīng)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(diǎn)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(yīng)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(duì)使用壓延成型工藝法生產(chǎn)的超白玻璃基片進(jìn)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(guī)則的起伏狀花型，通過花型角的作用，減少陽(yáng)光在玻璃表面反射等損耗，提高在不同陽(yáng)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(zhuǎn)化率。不同廠家生產(chǎn)的壓延玻璃產(chǎn)品，在花型形狀、大小、深淺等上有所不同。對(duì)壓延玻璃進(jìn)行鋼化主要是提高玻璃強(qiáng)度。

超白壓延鋼化玻璃作為晶硅系列電池蓋板，覆蓋在太陽(yáng)電池組件的正面構(gòu)成組件的最外層，它既要透光率高，又要起到長(zhǎng)期保護(hù)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(chǎn)的超白鋼化玻璃。

薄膜電池玻璃的生產(chǎn)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(chǎn)的薄膜玻璃，目前利用在線鍍膜技術(shù)生產(chǎn)的鍍膜玻璃有：熱反射玻璃、低輻射玻璃和TCO導(dǎo)電膜玻璃。

離線鍍膜玻璃是指以浮法玻璃生產(chǎn)線生產(chǎn)的玻璃為原片，在另外場(chǎng)地再次利用鍍膜設(shè)備進(jìn)行鍍膜的生產(chǎn)方法。離線鍍膜技術(shù)有磁控濺射、溶膠－凝膠、脈沖－激光沉積（PLD）、真空蒸鍍、化學(xué)氣相沉積（CVD）等生產(chǎn)工藝。利用這些方法可以生產(chǎn)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(yáng)能電池前電極等。

TCO（Transparent Conducting Oxide）玻璃，即透明導(dǎo)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(xué)鍍膜的方法均勻鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜，導(dǎo)電氧化膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料。TCO導(dǎo)電膜玻璃可分為摻Sn氧化銦錫透明導(dǎo)電膜玻璃（ITO Coating Glass）、摻F氧化錫氟透明導(dǎo)電膜玻璃（FTO Coating Glass）和摻Al氧化鋅鋁透明導(dǎo)電膜玻璃（AZO Coating Glass）3種。

與傳統(tǒng)的單晶硅和多晶硅光伏材料相比，薄膜太陽(yáng)能電池具有環(huán)保、低成本、低能耗的優(yōu)勢(shì)，已被越來越多的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠商采用。

2 光熱玻璃

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

聚光光伏（CPV）發(fā)電原理基本與光熱發(fā)電類似，僅聚光光伏發(fā)電是利用光學(xué)系統(tǒng)（定日鏡跟蹤），將太陽(yáng)能匯聚到高倍聚光太陽(yáng)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(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。在業(yè)界它被看作是能取代部分晶硅市場(chǎng)的第三代光伏技術(shù)（第一代、第二代分別是晶硅和薄膜技術(shù)）。

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

3 太陽(yáng)能玻璃發(fā)展趨勢(shì)分析

目前能商業(yè)化運(yùn)作的太陽(yáng)能有：晶硅電池發(fā)電、薄膜電池發(fā)電、聚光電池發(fā)電、光熱發(fā)電和光熱利用幾大類。

由于晶硅系列電池技術(shù)門檻較低，技術(shù)也最成熟，同時(shí)光電轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)高于薄膜電池，現(xiàn)在約占市場(chǎng)份額的90%，薄膜電池占10%。預(yù)計(jì)在未來3～5年仍以晶硅電池發(fā)電為主，但是由于其環(huán)境污染大、制造成本高于薄膜電池，故又制約了其高速發(fā)展。薄膜太陽(yáng)能電池具有造價(jià)低廉、弱光響應(yīng)范圍廣、能抵抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，若能提高光電轉(zhuǎn)換率，市場(chǎng)較為看好。國(guó)家將在“十二五”期間重點(diǎn)發(fā)展非晶與微晶相結(jié)合的疊層和多結(jié)薄膜電池，為了降低薄膜電池的光致衰減，鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)大面積高效率硅薄膜電池。所以，預(yù)計(jì)在2015年后國(guó)內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池將達(dá)到30%市場(chǎng)份額，薄膜電池中又以非晶硅薄膜為主，預(yù)計(jì)將占薄膜電池的60%。

在光熱發(fā)電方面，主要制約因素在建設(shè)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高和玻璃管與金屬件封裝技術(shù)上，這些問題解決了光熱發(fā)電將迅速發(fā)展。

雖然目前占主流的晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率高、技術(shù)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(fù)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(gè)環(huán)節(jié)）、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(dāng)多的電能。據(jù)專家測(cè)算，在我國(guó)中等光照條件的地區(qū)，安裝一個(gè)1MW的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，年發(fā)電量約為120萬千瓦時(shí)；而1MW的晶硅電池，在生產(chǎn)過程中耗電300萬千瓦時(shí)以上，也就是說，需要近3年的時(shí)間，方可平衡其自身的耗電量）、切片材料利用率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高外，更主要的是太陽(yáng)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(yáng)能電池過程中需要大量消耗不可再生資源，同時(shí)還帶來環(huán)境污染，從而使其環(huán)保效益大打折扣。

對(duì)薄膜電池來說，薄膜電池的弱點(diǎn)是：光電轉(zhuǎn)換效率低、投資成本相對(duì)比較高、占地面積大（若同樣建設(shè)電站，薄膜要比晶硅電池大2～3倍）。而薄膜電池制造工序簡(jiǎn)單、能耗少（薄膜電池在制作過程中能耗較小，電池投入發(fā)電后一年半的電量就可彌補(bǔ)制造時(shí)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(huán)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(gè)環(huán)節(jié)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(jiǎn)單，故耗電量較低，非晶硅總體耗電只有晶體硅組件生產(chǎn)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(chǎng)供應(yīng)充足，沒有原料瓶頸，且非晶硅薄膜電池生產(chǎn)過程中只有極少量尾氣排出，經(jīng)過燃燒處理可實(shí)現(xiàn)零排放。此外，由于薄膜電池弱光性好，適用的陽(yáng)光強(qiáng)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(yīng)范圍廣，能在更廣的環(huán)境下發(fā)電。

在薄膜太陽(yáng)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(huán)保問題。銅銦鎵硒薄膜電池優(yōu)點(diǎn)是高效率、高穩(wěn)定性。但其缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、技術(shù)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(chǔ)量?jī)H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(huì)凸顯。碲化鎘薄膜電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝雖較為簡(jiǎn)單，但作為核心層的CdTe半導(dǎo)體薄膜主要成分所使用的鎘是有毒的重金屬，在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且碲的儲(chǔ)量也會(huì)限制這種薄膜電池的發(fā)展，這就導(dǎo)致將來大規(guī)模生產(chǎn)后原材料的供應(yīng)成為一種隱憂。所以，這種電池只能在一定規(guī)模下，在晶硅電池價(jià)格居高不下，高純硅材料產(chǎn)能不夠的情況下起到一個(gè)緩沖作用，真正大規(guī)模的生產(chǎn)并占有較大的市場(chǎng)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(yōu)勢(shì)相競(jìng)爭(zhēng)。雖然目前美國(guó)第一太陽(yáng)能（First Solar）公司生產(chǎn)的碲化鎘薄膜電池在全球市場(chǎng)上占用絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，2012年產(chǎn)能為世界第一。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的環(huán)保角度看，這種電池?zé)o法最終成為民用薄膜電池發(fā)展的主流和方向。

薄膜電池獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得發(fā)展前景廣闊：轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)成本改善空間巨大，生產(chǎn)工序相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能耗少，應(yīng)用范圍廣泛。鑒于薄膜太陽(yáng)能電池在技術(shù)開發(fā)上已超越傳統(tǒng)的硅電池，生產(chǎn)成本也迅速跟上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，而結(jié)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(jié)晶硅齊頭并進(jìn)，2015年后將是薄膜硅成為主流。

中國(guó)企業(yè)也看到了薄膜電池的良好遠(yuǎn)景，各個(gè)企業(yè)產(chǎn)能飛速擴(kuò)張。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)薄膜電池的生產(chǎn)線大約有40余條，其中引進(jìn)設(shè)備的有8～9條，引進(jìn)美國(guó)、歐洲、日本生產(chǎn)線的有10條，每條線產(chǎn)能在40MW左右，另有20多條仿制國(guó)外設(shè)備的2.5～5MW的產(chǎn)能低的小型非晶硅薄膜生產(chǎn)線。按照國(guó)內(nèi)目前各廠商的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池企業(yè)的大幅擴(kuò)產(chǎn)將拉動(dòng)TCO玻璃需求高增長(zhǎng)。按每50 Wp薄膜太陽(yáng)能電池大約使用1m2的TCO玻璃計(jì)算，國(guó)內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池企業(yè)大幅擴(kuò)產(chǎn)將拉動(dòng)TCO導(dǎo)電薄膜構(gòu)成組件的高速增長(zhǎng)，而太陽(yáng)能的TCO基片一般都使用超白浮法玻璃，目前太陽(yáng)能TCO玻璃提供有限，因此需求空間很大。長(zhǎng)期來看，薄膜電池出路主要在于應(yīng)用產(chǎn)品，不是大型發(fā)電站項(xiàng)目。未來隨著BIPV（建筑光伏一體化）市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，薄膜電池將成為主流產(chǎn)品。

目前有一部分人認(rèn)為，薄膜電池存在以下兩方面問題制約其發(fā)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(chǎn)過程中同步產(chǎn)生的設(shè)備成本、運(yùn)輸成本，其系統(tǒng)成本相比晶硅電池并不具有明顯優(yōu)勢(shì)。2）目前非晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為6%～8%左右，與晶體硅電池18%的轉(zhuǎn)換率仍有相當(dāng)大的差距。薄膜太陽(yáng)能電池在轉(zhuǎn)換率只有6%或8%的情況下，很難和晶體硅電池競(jìng)爭(zhēng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率必須要達(dá)到10%及以上才有競(jìng)爭(zhēng)力。

如果上述問題在技術(shù)進(jìn)步上予以解決，薄膜電池仍將具備相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力：1）設(shè)備昂貴主要是國(guó)外壟斷的結(jié)果，如果打破壟斷，自己制造，投資成本就會(huì)大幅度下降。據(jù)國(guó)內(nèi)薄膜電池領(lǐng)軍企業(yè)強(qiáng)生光電董事長(zhǎng)沙曉林測(cè)算，引進(jìn)設(shè)備折舊費(fèi)用分?jǐn)偟矫客咭?.3元多，而自建設(shè)備的折舊費(fèi)用每瓦只要0.05元。2）至于轉(zhuǎn)換率的問題，應(yīng)理解為在不同應(yīng)用領(lǐng)域誰更有優(yōu)勢(shì)的問題。薄膜電池在早晚、陰天等弱光條件下仍可產(chǎn)生電能，因此，在同樣地理和氣象條件下，全年發(fā)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(huì)有明顯衰減。因此，在陽(yáng)光照射強(qiáng)的地區(qū)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(qū)建設(shè)電站。

4 結(jié) 語

綜上所述，作為太陽(yáng)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率很高，但從材料來源來看，這類太陽(yáng)能電池將來不可能占據(jù)主導(dǎo)地位；而有機(jī)納米TiO2的染料敏化太陽(yáng)能電池雖然有廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能，制作成本僅為晶硅太陽(yáng)能電池的1／5～1／10，但由于它的研究剛起步，技術(shù)不是很成熟，轉(zhuǎn)換效率比較低，還處于探索階段，短時(shí)間內(nèi)不可能替代現(xiàn)有太陽(yáng)能電池。

因此，就薄膜電池系列而言，從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，今后發(fā)展的重點(diǎn)仍是以非晶硅太陽(yáng)能薄膜電池為主；就整體太陽(yáng)能電池而言，當(dāng)非晶硅薄膜電池光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到10%以上時(shí)，將最終成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)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(fā)展趨勢(shì)。

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

［2］陳宏斌.薄膜太陽(yáng)能電池曙光乍現(xiàn)［N］.國(guó)家電網(wǎng)報(bào)，2011－10－20.

［3］陳其玨.薄膜電池業(yè)連遭重創(chuàng)明年有望翻身［N］.中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào)，2010－09－27.

［4］方 立，管 旭.TCO鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模塊化編程實(shí)踐［J］.自動(dòng)化博覽，2011，29（S1）：52－55.