透明导电，光明未来：探索TCO玻璃的技术突破与应用前景

TCO玻璃即透明导电氧化物镀膜（Transparent Conductive Oxides, TCO）玻璃，是 在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀地镀上一层透明的导电氧化物薄 膜。广义TCO玻璃包括不同组成成分（即镀有不同TCO靶材）的平板玻璃，下游广 泛应用于平板显示器、太阳能电池和建筑节能等领域，而本文的TCO玻璃（狭义的 TCO玻璃）专指薄膜太阳能电池用TCO镀膜玻璃。 TCO镀膜导电玻璃主要应用于第二代光伏电池中的碲化镉薄膜电池和第三代光伏电 池中的钙钛矿电池，由于非晶硅薄膜太阳能电池的半导体层几乎没有横向导电性能， 必须使用TCO玻璃作为前电极来有效地收集电池电流，所以TCO玻璃成为薄膜太阳 能电池不可或缺的组成部分。


从晶硅到薄膜电池，光伏玻璃重要性显著提升，成本占比上升至1/3。晶硅太阳能电 池中，晶硅可以直接充当衬底基板，大部分情况下晶硅光伏玻璃仅作为封装材料， 除了对其可见光透过率和外观、尺寸有要求外，并无其它特别要求，按23年4月最新 报价，182单玻/双玻组件中玻璃成本约占8%/11%。而在薄膜太阳能电池中，TCO镀 膜玻璃（属于薄膜光伏玻璃）直接充当电池组件的衬底基板，直接影响电池发电性 能，对其平整度、透光率、导电性及镀膜工艺等要求也较高，其成本一般占薄膜太阳 能电池组件成本的33%左右，是薄膜太阳能电池的核心部件。以协鑫光电100MW级 别钙钛矿组件的量产成本构成为例，玻璃及其他封装材料占比达到34%，成为成本 占比最大部分。


薄膜太阳能电池对TCO玻璃有哪些要求？

TCO玻璃是薄膜电池的前电极，也是电池的支撑材料和窗口材料，主要用于碲化镉（CdTe）电池和钙钛矿电池。在功能上，TCO玻璃一是为电池的多层膜材料结构提供物理上的机械支撑；二是让太阳光透过，并被光伏材料吸收转换为电能；三是作为电极材料成为光伏器件的基本组成单元。对TCO的性能要求，主要有以下几方面：


1.光伏透射比。即在太阳能电池光谱响应范围内的太阳光透射比，对薄膜电池来说，一般是指300~1000nm波段，这一点跟普通建筑玻璃有所不同，一般建筑玻璃关心的是可见光波段，即380~780nm，两者在测试方法和适用标准上都不相同。TCO玻璃应让尽可能多的太阳光透过，一般要求光伏透射比至少在82%以上。

2.电导率。一般用方块电阻来表示。方块电阻越低，表示导电性越强，意味着电阻损失越小，因此电池要求电阻尽可能小。一般TCO玻璃要求方块电阻要小于12Ω/□。


3.雾度。表示薄膜散射光线的能力。以CdTe电池为例，为避免光学损失，要求TCO雾度低于2%，即要求TCO薄膜表面平整度要非常高，粗糙度要低。


4.激光刻蚀性能。为了克服薄膜材料的不均匀性问题，减少横向电流损失，薄膜太阳能电池会将大面积薄膜用激光刻画成若干电池条，单个电池条宽度一般小于10mm，通过内部电路连接制成大面积光伏组件。要求TCO膜层的激光刻蚀性能好，不得有薄膜刻不断，或刻伤玻璃本体等缺陷。


5.高温稳定性。CdTe电池制作过程中，需要经历530°C以上高温过程，因此要求TCO玻璃要有很好的高温稳定性。在加热过程中，薄膜的化学成分、光伏透射比、方块电阻都不能有明显变化。为此，TCO玻璃在导电层跟玻璃基体之间设有阻挡层，防止玻璃基体中的钠离子溢出，使导电层功能劣化。另外，在加热时，玻璃不得产生明显机械变形，否则会影响光伏吸收层镀膜的均匀性，及激光刻线的稳定性。


6.大面积均匀性。光伏透射比和方块电阻的均匀性是保障电池输出电压、电流平衡稳定的基本要求，从而保证大面积组件高的转换效率。建筑光伏一体化（BIPV）是薄膜太阳能电池的重要应用场合，对颜色均匀性提出更高要求，不得有干涉条纹、膜层云朵等缺陷。


7.低成本。光伏产品最终的竞争力评价以单位发电量的综合成本来衡量，比如现在晶硅电池组件售价在2元/瓦左右，薄膜电池要跟晶硅电池形成竞争，成本必须不高于晶硅电池。而TCO玻璃是薄膜电池原材料成本中最高的部分，因此必须降低TCO玻璃的制造成本。



经过多年技术发展，氟掺杂氧化锡薄膜（F- doped Tin Oxide）成为符合以上各方面条件、性价比最优的选择，其化学式为SnO₂:F，简称FTO。因此现在薄膜太阳能电池领域一般讲的TCO玻璃实际上就是指FTO玻璃。目前TCO玻璃的性能瓶颈，也就是技术难点主要表现在：TCO表面织构的调控；电荷输运特性与电池器件能带结构的适配性；大面积镀膜的均匀性。


TCO玻璃的制备技术


常见的薄膜沉积技术，如化学气相沉积、磁控溅射、溶胶凝胶、真空蒸发、分子束外延等常，都可用于制备SnO₂薄膜，能满足薄膜太阳能电池用TCO玻璃的需求。其中常压化学气相沉积（APCVD）无需真空环境，设备简单，可以与浮法玻璃工艺兼容，具有生产效率高、能耗低、生产成本低、耐候性好等优势，成为生产TCO透明导电玻璃的主流方法。


从TCO玻璃的技术层次和市场规模上看，NSG在世界范围内仍具有一定垄断地位，不过国内的中国玻璃控股有限公司、艾杰旭特种玻璃（大连）有限公司（AGC旭硝子）、金晶（集团）有限公司等企业也都具备生产TCO玻璃的能力，市场规模主要是受下游薄膜电池产业的影响未能扩大，但在技术水平上跟NSG并没有明显差距。


跟其他技术来源不同，中国玻璃控股有限公司的技术完全是自主开发成功的。公司长期稳定从事浮法在线镀膜玻璃的研发工作与生产应用，针对世界三大浮法玻璃生产技术之一的中国“洛阳浮法”工艺特点，原创性地提出在退火窑内制备氧化物功能薄膜的技术路线，历经十余年攻关，一举解决锡槽内制备镀膜玻璃干扰成形工艺、现有生产线技改难度大、投资高、受国外专利限制等问题，打破国际上对浮法退火窑不适合作为镀膜工艺区间的论断，形成了拥有自主知识产权的成套技术体系，实现了中国特色功能镀膜玻璃产业化技术和关键装备的重大突破，开发出在线低辐射镀膜玻璃（在线Low-E）、TCO玻璃等系列产品，相关成果获得2020年度国家技术发明奖二等奖。其主要技术特色如下：


1.通过强化薄流层气相反应过程的爆发性形核，实现SnO₂基微纳结构氧化物功能薄膜的高效制备，薄膜沉积速率高，可调节范围宽，与浮法生产线兼容匹配能力强，适应薄板TCO玻璃的生产需求。


2.利用浮法在线原位掺杂和多层复合调控技术，解决了膜层干涉着色的技术难题，TCO膜层颜色均匀性、一致性好，有利于发挥薄膜太阳能电池色泽柔和、美观大方的特点，适合BIPV应用。


3.TCO的阻挡层在锡槽内沉积，导电功能层在退火窑A0区沉积，并设有成套的镀膜环境调节保障措施，利用锡槽和退火窑的气氛环境，分区镀膜，工艺过程稳定易控。


4.镀膜装备为线性多进多排结构，模块化设计、组装，镀膜效率高，操作维护方便，对生产线影响小，建设成本低。


5.配有独特的镀膜主原料冷凝回收与废气处理技术，实现环保绿色生产，通过回收再生，主原料利综合利用率达80%以上，生产运行成本低。


6.镀膜参数自动控制，TCO薄膜光学参数热端、冷端实时检测，实现闭环自洽，充分利用最新智能生产技术，生产过程稳定可靠，镀膜率高、周期稳定。

需求应用


目前，薄膜电池主要的应用领域有碲化镉、BIPV、钙钛矿及异质结。目前，BIPV及钙钛矿是主要的增量。碲化镉薄膜主要是FISRT SOLAR在生产，国内除了龙焱和中建材外，生产厂家较少。


1.钙钛矿


钙钛矿电池是一类使用具有钙钛矿晶体结构的ABX3型卤化物材料作为吸收层的太阳电池的总成。


钙钛矿电池主要包括：（1）透明电极（TCO），接收从电池中传输的电子或者空穴；（2）电子传输层（ETL），完成电子传输的同时，阻隔空穴向阴极传输；（3）光吸收层，吸收光子生成载流子；（4）空穴传输层（HTL），完成空穴的传输同时阻止电子向阳极传输；（5）金属电极，用于接收电子或空穴的电极结构。


国内厂商在该领域做积极的产业化尝试，现已规划多条GW级产能。钙钛矿电池技术路线潜力大，国内厂商积极寻求产业化突破。当前钙钛矿在产产能约390MW，多为小、中试线，协鑫光电、纤纳光电、极电光能等多家企业均规划了GW级产能建设，远期规划总和近25GW。


单位用量方面，昆山协鑫光电2023年4月17日宣布2m*1m大面积、大尺寸商用钙钛矿组件转换效率达16.2%，2023年效率目标为18%，考虑钙钛矿产业当前仍处在稳定性、量产效率技术攻关阶段，中性假设2023、2025年全行业量产平均效率水平为13.0%、17.0%，对应TCO玻璃单位用量分别为769、588万平/GW，TCO玻璃在钙钛矿成本占比35-40%，目前市场单价55-70元/㎡，对应单GW产值3.5亿以上。


另外，钙钛矿前板需要TCO玻璃，背板为普通玻璃，生产1GW的钙钛矿电池，需要约711万平米FTO玻璃。国内供货商仅有大连艾洁旭和金晶。价格方面，3.2mmFTO玻璃，艾洁旭2022价格75，金晶报价60左右，利润率大于50%。


2.碲化镉


海外龙头First Solar大幅扩产，国内中建材系等厂商加速布局产能。


（1）海外，美国光伏装机需求增长、IRA税收抵免政策刺激下，美国碲化镉龙头First Solar大幅扩产，据FS2022年年报，2022年公司名义产能达9.8GW，组件产量9.1GW，规划2023-2025年末名义薄膜电池产能分别达到16.0/20.1/20.6GW，当前扩产规划主要针对印度、美国市场。据FS2023年度一季报，公司产品供不应求，未交付预定量已达到71.6GW，4月底订单已排至2026-2027年交付。另一家美国碲化镉电池厂商Toledo Solar当前年产能为100MW，2022年9月宣布扩充产能计划，2027年产能将达2.8GW。


（2）国内，在BIPV应用前景预期下，国内碲化镉厂商加速产能布局。中建材及其旗下凯盛集团现已运行700MW产能，当前在全国多地规划产能3.8GW；龙焱能源、中山瑞科在产产能130、100MW，龙焱能源计划到2024年产能提升至630MW，中山瑞科规划未来产能达到1GW；光伏玻璃龙头企业福莱特也于今年2月宣布计划投资1GW碲化镉产能。


据广发投研预计，根据国内外企业产能规划，预计到2025年海外企业碲化镉电池产量达20.5GW，国内企业产量2.8GW。


碲化镉单位需求量，First Solar最新Series7产品效率最高达19.3%，广发证券做中性假设2022年全行业平均效率水平为18.0%，2025年达19.5%，对应TCO玻璃单位用量分别为556、513万平/GW。


文章来源： 中国建材报，未来智库，建筑玻璃与工业玻
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551376.html
来源：贤集网
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