第一情报 ---能源与环境

碲化镉薄膜太阳能电池产业发展现状(二)

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-6-28   关键字:碲化镉  薄膜太阳能电池  发展现状  
二、全球碲化镉薄膜太阳能电池产业发展现状
(一)关键技术
对于碲化镉薄膜电池的制备而言,不论是哪一项沉积工艺步骤,都存在许多不同的沉积技术。这些技术包括:气相输运沉积(VTD)、近距离升华(CSS)、常压物理气相沉积(APPVD)、溅射沉积、电镀沉积等十余种技术。实践证明,在如此众多的技术中,气相输运沉积(VTD)技术和近距离升华(CSS)技术最适合于工业化生产。其中,VTD技术的主要特点是镀膜速度快,均匀性高,产量大,材料利用率高,无需更换原材料,技术独有性强,后续器件工艺与其他技术兼容;CSS技术的主要特点是:镀膜速度快,容易获得高效率产品,均匀性设计对热场设计依赖性强,原材料更换需要特别设计,主要技术公开,后续器件工艺与其他技术兼容。
 
从全球碲化镉薄膜电池制造商所在技术阵营看,美国First Solar公司是全球唯一一家采用气相输运沉积(VTD)技术的企业。VTD技术是First Solar公司的专利技术,并严格禁止其他企业采用;近距离升华(CSS)技术由于技术公开,全球大部分企业都采用该项技术,主要代表企业是美国的Abound Solar及通用电气(GE),德国的Antec Solar及CTF Solar,意大利的ARENDI等;常压物理气相沉积(APPVD)技术的专利拥有者则是美国俄亥俄州的Solar Fields公司及其子公司德国Calyxo(见表1)。表1中有的公司由于生产成本高等原因,已经终止已有的生产能力,并申请破产,如美国Abound solar(原AVA Solar)公司;很多公司尽管已投入大量资金建立了生产线,但至今仍未形成大规模生产能力,如意大利ARENDI、德国Antec Solar等。总之,目前全球能够大规模生产碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件的企业只有美国First Solar一家,其产量约占全球总产量的95%以上。可见,碲化镉薄膜电池技术产业化并不是一件单纯的技术工作,而是一项综合性很强的系统工程,实现该技术的产业化有较大的难度。
 
表1  全球主要碲化镉薄膜电池制造商及技术路线
公司名称
碲化镉薄膜电池组件产量(MW)
技术特征
2008年
2009年
2010年
2011年
2012年
First Solar
美国
504
1113
1412
1981
1893
气相输运沉积
Calyxo
德国
25
25
25
25
85
常压物理气相沉积
Abound Solar
美国
0
200
200
——
——
近距离升华沉积
通用电气(GE)
美国
3
25
50
——
——
近距离升华沉积
Antec Solar
德国
10
——
——
——
30
近距离升华沉积
CTF Solar
德国
0
0
50
——
——
近距离升华沉积
ARENDI
意大利
15
15
——
——
——
近距离升华沉积
注:由于全球大部分碲化镉薄膜电池制造商规模较小,而且不是上市公司,因此其电池组件产量数据极为缺乏。2012年,德国Calyxo公司投入运营其第二条60MW碲化镉薄膜电池生产线,之前该公司拥有一条25MW碲化镉薄膜电池生产线。2012年7月,美国Abound solar(原AVA Solar)公司申请破产。2011年4月,美国通用电气(GE)集团兼并全球知名的碲化镉薄膜电池组件制造商PrimeStar Solar公司,从而进军碲化镉薄膜太阳能电池产业领域。ARENDI SRL公司隶属于意大利玛切嘉利(Marcegaglia)集团下属的EuroEnergy集团。
资料来源:上述各公司网站。
 
(二)产业规模
目前,在全球各类太阳能电池中,晶体硅(单晶硅+多晶硅)电池产量占据绝对优势,所占比重超过85%;薄膜太阳能电池产量居其次,所占比重约为14%;带状晶体硅及聚光等其他类型太阳能电池产量非常小,所占比重约为1%。如图7所示,1980年,全球太阳能电池市场以单晶硅电池为主,其产量所占比重高达96%,而多晶硅电池和带状晶体硅电池仅占4%左右。随着太阳能电池技术的不断发展,单晶硅太阳能电池所占比重不断下降,多晶硅及薄膜太阳能电池所占比重不断上升。
 
2011年,多晶硅、单晶硅及薄膜等电池占全球太阳能电池总产量的比重分别达到45.4%、40.0%、14.1%。2012年,全球太阳能电池产量达到37400MW,同比增长6.3%。其中,晶体硅太阳能电池所占比重进一步上升,约占总产量的88.2%;薄膜太阳能电池所占比重出现下滑,约占总产量的10.7%。
 

图7  1980-2011年全球各类太阳能电池产量所占比重变动趋势图
资料来源:德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“Photovoltaics Report”,2012年12月11日。
 
目前,在薄膜太阳能电池市场中,以碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池产量最大,其市场占有率在2009年达到峰值;排名第二的是铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池。2007年以来,伴随着部分CIGS厂商的技术突破、转换效率的不断提高,CIGS薄膜光伏电池再度得以快速发展,其所占市场份额在2011年超过非晶硅薄膜电池,位居第二;2006年以前,非晶硅薄膜太阳能电池产量所占市场份额排名第一,但由于转换效率低且存在光致衰退的固有缺陷,其市场占有率从2000年开始逐步萎缩,并最终排名第三(见图8)。根据德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所数据显示,2011年全球薄膜太阳能电池的产量约为3383MW,其中碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)及非晶硅(a-Si)等薄膜电池的产量分别约为2081MW、694MW、608MW,所占比重分别为61.5%、20.5%、18.0%(见图9)。

图8  2000-2011年各类薄膜电池占全球光伏电池总产量的比重
 
资料来源:德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“Photovoltaics Report”,2012年12月11日。

图9  2000-2011年各类薄膜光伏电池组件产量(单位:MW)
资料来源:德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“Photovoltaics Report”,2012年12月11日。
 
(三)发展前景
经过十多年的使用,碲化镉光伏电池组件初步证明效率较高、性能稳定,已被市场所接受。目前,全世界在建和已完成的十个大型光伏电站,其中有6个光伏电站并且包括最大的3个电站(装机量≥290MW)都是采用的碲化镉薄膜电池组件(见表2)。碲化镉薄膜电池组件除用于大型并网光伏电站外,已开始逐步进入民用供电,如企业、机关、学校等分布式用户侧小规模并网发电。
 
2011年下半年以来,由于全球光伏市场需求持续疲软和残酷的竞争,以及由于美国、德国、韩国等国家低于成本价倾销多晶硅,使晶体硅太阳能电池的价格极具竞争力,而碲化镉等薄膜光伏电池在成本上与晶硅电池相比已经不具竞争力。数据显示,2012年,美国First Solar公司碲化镉薄膜电池组件成本为0.73美元/瓦,而中国的晶体硅电池制造商晶科能源、晶澳太阳能的组件成本已经低至0.62美元/瓦、0.64美元/瓦(见图10)。进入2012年,伴随着美国Abound solar公司的破产,碲化镉薄膜电池产业也随着整个光伏产业进入了严冬。全球最大的碲化镉光伏电池生产商First Solar为度过光伏寒冬期,一方面选择与Intermolecular公司合作,以期加快材料和流程的研发,缩短高效碲化镉薄膜光伏组件的上市时间。同时,First Solar公司也进军单晶硅电池领域,收购美国单晶硅电池制造商TetraSun,并计划与2014年下半年开始试验性生产铜基单晶硅电池。另一方面,为减少成本,First Solar关闭了位于德国法兰克福的一家工厂,裁员1050名;闲置了在马来西亚的部分工厂,减少了30%的员工,2012年First Solar共减少2000个工作岗位。
 

图10  2012年全球各类太阳能电池组件成本比较(单位:美元/瓦)
注:上述各公司,除美国First Solar公司生产碲化镉薄膜电池外,其余厂商均为晶体硅电池制造商。由于上述所列公司,有些没有公布其光伏电池组件成本(生产成本+销售成本),我们姑且用其年报中相关数据(太阳能电池组件的收入成本/太阳能电池组件的产能)来估算组件成本。
资料来源:上述公司年报数据整理。
 

表2  全球十大在建大型太阳能光伏电站项目
 
 
项目名称
装机量(MW)
地区
开发商
组件制造商
组件类型
电力购买方
动工时间
竣工时间
1
Topaz Solar Farm
550
美国加利福尼亚州
First Solar
First Solar
碲化镉薄膜
美国太平洋天然气和电力公司
2011
2014/2015
2
Desert Sunlight Solar Farm
550
美国加利福尼亚州
First Solar
First Solar
碲化镉薄膜
南加州爱迪生电力公司
2011
2014/2015
3
Agua Caliente Solar Project
290
美国亚利桑那州
First Solar
First Solar
碲化镉薄膜
美国太平洋天然气和电力公司
2010
2014
4
California Valley Solar Ranch
250
美国加利福尼亚州
SunPower
SunPower
单晶硅组件
美国太平洋天然气和电力公司
2011
2013
5
AV Solar Ranch One
230
美国加利福尼亚州
First Solar
First Solar
碲化镉薄膜
美国太平洋天然气和电力公司
2011
2013
6
Mesquite Solar一期项目
150
美国弗吉尼亚州阿灵顿郡
Sempra U.S.Gas&Power
尚德电力
晶体硅电池
美国太平洋天然气和电力公司
2011
2013
7
Copper Mountain Solar Two[①]
150
美国内华达州
Sempra U.S.Gas&Power
First Solar
碲化镉薄膜
美国太平洋天然气和电力公司
2011
2015
8
Imperial Solar Energy Center South
130
美国加利福尼亚州
Tenaska Solar Ventures
First Solar
碲化镉薄膜
芝加哥天然气和电力公司
2011
2014
9
Vega Solar Power Plant
123
意大利
Solarhybrid AG
晶澳太阳能
晶体硅电池
——
2011
2012
10
Sorrento Solar Farm
100
美国佛罗里达州及莱克县
BlueChip Energy
Advanced Solar Photonics
晶体硅电池
美国南加州爱迪生电力公司
2011
——
资料来源:中国光伏产业网。

参考资料:
[1] 德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“Photovoltaics Report”,2012年12月11日。
[2] 中国光伏产业网。


[①] 2012年已经完成92MW的安装,剩余的58MW预计2015年完成。

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