薄膜電池行業研究：誰將成為中國薄膜電池領頭羊？

（報告出品方/作者：長江證券，範超、鄔博華、李浩）

1 當前現狀：晶矽為主，薄膜為輔

光伏發電的基本原理。光伏發電是根據光生伏打效應原理，即當半導體受到光照時，某些光線的光子會被半導體晶體吸收，形成空穴-電子對，在半導體內部的 PN 結產生的內電場作用下，N 型半導體的空穴往 P 型區移動，而 P 型區中的電子往 N 型區移動，從而形成從 N 型區到 P 型區的電流。然後在 PN 結中形成電勢差，由此形成了電源。

光伏電池的分類。根據不同的標準光伏電池可劃分為不同的類別：按結構分類，可分為同質結、異質結、肖特基太陽電池；按結晶狀態分類，可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形；按所用材料分類，還可分為晶矽太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池等。目前最常用的分類方法為按照材料進行劃分電池型別，主要分為晶矽以及薄膜電池兩大類。

晶矽電池：作為最早出現的光伏電池，被稱為第一代半導體電池。由玻璃、EVA、電池片、背板和電池板等組成。矽材料是一種半導體材料，太陽能電池發電的原理主要就是利用這種半導體的光電效應形成空穴電子對，在內電場作用下形成電流。晶矽電池包括單晶矽及多晶矽兩種，其中單晶矽依靠效率優勢，目前佔絕對主導。

薄膜電池：第二代太陽能電池。薄膜電池是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉積一層厚度不大於 20 微米的薄膜，並在這層薄膜中製作 PN 結等形成的太陽電池。薄膜太陽電池主要包括矽基薄膜、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）、鈣鈦礦電池及有機薄膜電池等。

當前晶矽電池佔據絕對主導。覆盤過往光伏電池歷史，薄膜電池也曾佔據重要位置，1988 年薄膜電池佔比達到頂峰在 30%以上，但隨著光伏行業的快速放量以及晶矽電池的效率持續提升以及成本逐步下降，薄膜電池雖然總量持續增長但佔比逐步下降。截至 2020 年，全球光伏電池市場中單晶矽電池佔比約 80.4%、多晶矽 15.5%、薄膜電池約 5.1%。

CdTe 在薄膜電池中佔據絕對主導。依據 CPIA 資料，2020 年全球薄膜太陽電池的產能接近 10GW，產量約為 6.48GW，同比增長 5.5%。從產品型別來看，2020 年碲化鎘薄膜電池的產量約為 6.2GW，其中國外 6.12GW，國內 80MW，在薄膜太陽電池中佔比為 95.7%；銅銦鎵硒薄膜電池的產量約為 270MW，其中國外 220MW，國內 50MW，佔比為 4.2%；矽基薄膜電池產量 10MW，佔比不到 1%。

價效比優勢明顯，碲化鎘電池成為主流。碲化鎘薄膜電池具有較低的製造成本，主要由其電池結構、原材料及製造工藝等方面決定的：

首先，碲化鎘薄膜電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而形成的光伏器件，相對簡單結構大大縮短了生產時間，使製造成本明顯下降。據美國 First Solar 資料顯示，碲化鎘薄膜太陽能電池元件全流程生產時間小於 2.5 小時。

其次，碲化鎘的吸收係數在可見光範圍高達 105/cm，因此碲化鎘薄膜太陽能電池理論上吸收層厚度在幾個微米左右，原材料消耗極少。最後，碲化鎘屬於簡單的二元化合物系統，容易生產單相材料，製備方法容易實施，有效降低了製造成本，且相對銅銦鎵硒的原料更容易獲得也更便宜。

2 BIPV帶來薄膜電池放量新機遇

BIPV 的全稱為建築光伏一體化（Building Integrated Photovoltaic, BIPV），即將光伏元件集成於建材，實現建築利用太陽能的產品。在光伏發電端，隨技術的不斷進步，元件成本長期持續保持下行趨勢，這使「光伏+建築」的應用場景逐步具備商業價值。

分散式光伏剛剛起步。根據國家能源局，截至 2020 年底新增分散式光伏裝機 15.52GW，其中戶用裝機在 10GW 左右，其餘基本為工商業裝機規模。據此，按照每平米裝機 200Wp 計算，可得戶用裝機面積在 0.5 億平米，對應住宅類屋頂的滲透率為 12.3%；工商業裝機面積 0.3 億平米，對應滲透率在 10.6%；合計裝機面積 0.8 億平米，對應滲透率 10%左右。

薄膜電池是 BIPV 最優選擇

透光率可調且可滿足定製化的需求。生產晶矽電池時，制絨環節中矽片表面腐蝕量的不同最終會導致電池片產生色差，常見的色差種類包括紅片、花片和部分陰陽片。將晶矽電池封裝加工成 BIPV 元件後，晶矽電池的色差會嚴重影響 BIPV 元件的美觀性。即使透過分選將顏色相近的電池片封裝在同一塊元件中，電池片的顏色決定晶矽元件主要是深藍、淺藍等藍色系色彩，比較單調，無法滿足 BIPV 建築對色彩的多樣化需求。

碲化鎘薄膜太陽能電池生產技術及其生產工藝的優勢，電池元件透光率可調，尺寸大小可定製、顏色圖案可變，色彩整體性強。如成都中建材透過鐳射細鏤空技術提高透光率並透過 UV 彩打玻璃疊層技術實現花紋的定製等。此外，晶矽電池的韌性相對不佳，很難對其進行弧面設計，大大限制了晶矽電池的應用場景，而且晶矽電池因為高度標準化的原因，尺寸調整也較為不便。

弱光性強且溫度係數低，適用性更好。CdTe 是直接間隙材料，對全光譜吸收都較好，所以在清晨、傍晚、積雪、積灰、霧霾等弱光條件發光效果明顯優於間接帶隙材料的晶矽電池。在較低輻照度下，碲化鎘比晶矽早發電 1 個多小時，說明碲化鎘在弱光下有更高的電壓。此外碲化鎘薄膜太陽能電池元件的溫度係數約為-0.21%/℃，晶矽電池的溫度係數在-0.45%/℃左右。因此其發電量比標稱功率相同的晶矽電池多，也更適合於高溫環境。當元件工作溫度在 75℃時，發電能力比晶矽電池高出 15%。

薄膜電池熱斑效應小。當晶體矽光伏元件中某塊太陽電池被遮擋時, 電池電壓將會被偏置成負載, 消耗其他電池發的電。因此, 這塊電池的溫度會比其他電池更高, 從而產生熱斑效應。長期的樹葉，杆身，樹木等陰影遮擋下，易導致熱斑效應，區域性溫度過高，燒壞元件，極易產生火災。而碲化鎘等薄膜電池的垂直劃線設計可將電力損失降到最低。因此在城市等複雜環境下，薄膜電池更加適用。（報告來源：未來智庫）

政策支援加速薄膜電池發展

符合碳排放控制目標，薄膜電池是更清潔的可再生能源。美國能源部布魯克文國家實驗室的科學家就鎘排放的問題，系統地研究了多個常規能源和核能的單位發電量的重金屬排放量，在太陽能電池的分析中，考慮了將原始礦石加工得到製備太陽能電池所需材料、太陽能電池製備和使用等全壽命週期過程，研究結果表明天然氣和碲化鎘排放量都處較低水平。此外依據 First Solar 資料，碲化鎘電池相較晶矽電池具備，具有最小的碳足跡、最快的能源回收時間和最低的行業生命週期用水。

政策導向明確，部分地區已經先行。2021 年 10 月 13 日，住建部正式釋出了國家強制性規範《建築節能與可再生能源利用通用規範》，自 2022 年 4 月 1 日起實施。這是建築節能與可再生能源利用領域國家全文強制性規範。要求新建及改擴建專案的可行性報告及設計檔案必須包含可再生能源利用及建築碳排放分析報告，且施工圖設計檔案必須明確相關係統運營的技術要求；且要求光伏元件設計壽命高於 25 年，對不同電池的衰減係數做出了明確要求。

此外從地方政策看，2020 年 9 月安徽蚌埠釋出《蚌埠市薄膜太陽能發電系統產品在建築上推廣應用工作方案》，提出在新建公共建築及居住建築均需按照一定比例安裝薄膜電池；近日，國務院印發《關於支援北京城市副中心高質量發展的意見》，大力推廣綠色建築，新建大型公共建築執行三星級綠色建築標準、將安裝光伏設施作為強制性要求。

綠色建築及光伏相關補貼政策。近年來綠色建築成為各地關注的重點，多個省份城市出臺相關的補貼政策；此外多地也出臺了光伏發電的相關補貼，進一步鼓勵可再生能源的利用。對於綠色建築的打分中，涉及到可再生能源發電的專案資源節約及提高創新中的部分專案，合計佔比總分數的 13%。結合《建築節能與可再生能源利用通用規範》的強制要求，未來可再生能源利用會是個重要的方向。

薄膜電池的現實經濟性尚可

薄膜電池發電量計算與影響係數。依據安徽釋出的《薄膜太陽能發電系統與建築一體化技術規程》，薄膜太陽能發電系統與建築一體化應用在方案設計時，年發電量可按照以下公式進行估算：Ep=HA * A * ni * K，其中：HA——水平面太陽輻照總量（kW·h/m2），計算年發電量時，應為日均水平面太陽輻照量和年日數的乘積；

A——計算範圍內的薄膜太陽能發電元件總面積（m2）；

ni——元件轉換效率（%），由製造廠家提供；

K——薄膜太陽能發電系統綜合效率，綜合效率係數包括：光伏元件型別修正係數、光伏陣列的傾角、方位角修正係數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗等。

依據《規程》，晶矽元件的綜合效率係數 K 在最佳傾角安裝時可取值 0.75~0.85。考慮到薄膜太陽能發電元件較傳統晶矽電池相比具有年衰減低、抗遮擋能強、弱光發電效能突出、對安裝傾角要求較少等適用於建築光伏一體化應用的特點，在綜合效率係數的選取時，可按照係數取值上限選用。

回報週期測算：6-8 年左右。在建築立面上的使用，薄膜電池通常與幕牆作為一個整體使用，或者直接作為裝飾立面使用。我們不考慮玻璃幕牆本身的成本，僅考慮加裝薄膜電池增加的額外成本，並以北京、上海、廣州、瀋陽等不同緯度城市為例進行測算。

薄膜電池的潛在需求有多大？

依據以下公式進行計算：光伏幕牆裝機量=（a）商業建築立面*南牆比例*玻璃幕牆比例 *（b）經濟性比例*（c）光伏幕牆滲透率*（d）單位面積功率。

新建立面空間：測算 2020 年竣工公共/商業建築立面面積約 4.9 億平米。首先根據建築竣工面積並依據公式「建築面積÷容積率× 建築密度」測算新建屋頂面積；其次計算相應的樓層數並假設層高計算相應的立面面積，假設南立面佔比約為 30%，計算可得南立面面積為 1.47 億平。

存量立面：測算存量竣工公共/商業建築立面面積約 173 億平米。考慮到存量竣工面積難以計算，對於城市/縣城首先按照「建設用地面積×建築密度」計算屋頂面積，其次按照屋頂面積*4 近似計算立面面積，且僅考慮城市/縣城的公共建築和商業建築（對應公共管理與公共服務用地和商業服務業設施用地）。

基於以上對新建及存量立面的測算（僅考慮需求潛力大的商業建築，未考慮屋頂、工廠等替代彩鋼瓦場景），並根據以下假設進行敏感性測算：在光伏幕牆滲透率 25%時，新建立面對應裝機需求約為 4.2GW；在光伏幕牆滲透率 25%，且翻新率 5%時，測算存量改造需求約為 6.3GW。

（a）：商業建築面積僅包含寫字樓、商廈、文娛和科研建築的立面面積，南牆比例 30%，按經驗資料玻璃幕牆佔比 20-30%不等；（b）：按照平價週期模型，工作時段年有效光照時長 550 小時以上具有經濟型，依據中國各地光照時長資料，約 65%地區滿足要求；（c）：光伏幕牆滲透率，按照成型案例比例要求，圍繞 25%做敏感性假設；（d）：功率由 CdTe 轉換效率決定，將很快觸達假設值；

薄膜電池應用場景多元，並不侷限於建築立面。考慮到薄膜電池美觀個性化的特點，相關要求較高的場景將越來越多的使用薄膜電池，如陽光屋頂、透明索橋、戶外遮陽棚等等，更接近建材的屬性，而並非標準組件。此外隨著國內企業薄膜電池的成本持續下降以及效率不斷提升，未來也有望逐步擴充套件到地面電站以及普通屋面分散式光伏領域。

3 效率&成本改善，薄膜未來可期

薄膜電池產業鏈更短，產業鏈協同更容易。薄膜電池生產較為集約主要包括 TCO 玻璃製備、薄膜沉積、活化後處理及元件封裝。其中 TCO 玻璃目前大多外採，未來隨著需求增長，具備相關能力的企業或將自產；薄膜層採用 PECVD、磁控濺射等方法進行沉積，製作工藝可以連續在多個真空沉積室或多片在一個沉積室內完成，從原材料進場，一個廠房內即可完成元件生產，企業自身可以掌握生產和技術的腳步，技術壁壘高。相反晶矽元件從多晶矽到元件，需要完整的裝置、原料、輔料等產業鏈共同發展協作。

薄膜電池的效率提升空間大。薄膜電池因為其化合物主要為直接帶隙半導體，其吸光能力較作為間接帶隙半導體的晶矽要高兩個數量級，因此僅從理論上的極限發電效率出發，薄膜電池普遍可以達到 33%左右，而晶矽電池不超過 30%。但因為技術及裝置等限制，目前在實驗室和量產層面依然是晶矽佔據明顯優勢，未來隨著薄膜電池技術不斷進步，量產效率有望逐步提升。

成本下降值得期待。當前因為國內相關企業的元件效率、規模相對較小且主要裝置依靠國外採購，因此生產成本相對較高，當前與晶矽電池相對在效率不佔優勢情況下依然偏高。參考美國第一太陽能，未來隨著規模擴大、效率提升、材料成本中佔比較大的 TCO 玻璃實現自供以及裝置國產化率提高，國內企業的單 W 成本將持續下降。2020 年美國第一太陽能的單 W 成本約為 0.2 美金左右。

從 FS 看薄膜電池發展空間。FS 成立於 1999 年並於當年建設第一條試生產線，2006 年於紐交所上市，2009 年產能已經超過 1GW，2020 年產量達到了 6GW。在其發展過程中經歷了數次的“生死考驗”，如 2012、2017 年。在 2009 年之後，公司產量增長明顯在放緩，主要因為隨著晶矽成本下降，薄膜電池在 2009 年之前建立的成本優勢逐步喪失，從此開始公司進入了長期的困難階段。而隨著公司 S6 新型高效率元件推出，效率及成本明顯改善，產能重新開始擴張快速擴張，預計 2021 年和 2022 年底將產能提高至 8.7GW 和 9.4GW。

薄膜電池未來也將在更多領域與晶矽電池直面競爭。以美國第一太陽能為例，2010 年開始大力發展光伏系統運營，2020 年光伏元件收入佔比 64%，光伏系統佔比 36%，而 FS 生產的薄膜電池元件產品大部分應用於地面電站系統。對於 FS 來說依靠更低的成本可與晶矽在大規模集中電站中展開競爭。從 FS 在美國市佔率來看，假設 80%銷量在美國，其在美國本土市場份額或在 25-30%左右。

4 誰將成為中國薄膜電池領頭羊？

全球格局：美國一家獨大，國內三足鼎力。2020 年全球薄膜太陽電池的產能接近 10GW，產量約為 6.48GW，其中碲化鎘薄膜電池的產量約為 6.2GW，因此我們的分析重點主要集中於價效比更高的碲化鎘電池。當前碲化鎘薄膜電池全球龍頭為美國第一太陽能， 2020 年產能約為 6.3Gw，國內量產企業主要為三家，分別為成都中建材、杭州龍焱、中山瑞科，產能規模相對較小。（報告來源：未來智庫）

技術壁壘較高，存量企業受益。核心工藝在於薄膜化合物沉積，掌握在元件企業手中，這一環節決定了薄膜電池的最終效能，因此各家的研發重點均集中在這一步驟。從技術路線看，目前常見的有常壓物理氣相沉積（APPVD）、氣相沉積法（VTD）、近距離昇華法（CSS）。其中 VTD 以及 CSS 更適用於工業化生產。美國 First Solar 公司是全球唯一一家採用氣相輸運沉積（VTD）技術的企業。VTD 技術是 First Solar 公司的專利技術，並嚴格禁止其他企業採用；近距離昇華（CSS）技術由於技術公開，全球大部分企業都採用該項技術。回顧國內幾家企業的發展歷程，均經歷了多年的技術迭代與裝置改造，考慮到行業的高技術壁壘，未來隨著行業需求釋放，存量企業更加受益，外部競爭者較難彎道超車。

誰將成為中國薄膜電池領頭羊？

從產能擴張以及產能消化能力的角度，中建材有望脫穎而出。薄膜電池行業資本開支較重，尤其在國內企業的裝置國產化率尚未提高之前，從目前部分公佈的專案看，單 W 投資在 5-10 元。因此快速的產能擴張需要較強的資本支援，中建材作為央企融資能力較強且旗下上市公司的現金流也較為充沛，擴張能力更強；此外考慮到 BIPV 推廣初期或在政府以及相關的專案中滲透率更高，且中建材自身的工廠及辦公樓等潛在需求，其產能消化的確定性也較高。

中建材產能或將快速增長。目前中建材在產薄膜電池產能為 100MW（成都中建材，中建材持股 65%）。依據目前各地披露的在建專案情況，我們測算截止 2022 年末中建材薄膜電池產能有望達到 1.4GW、2023 年有望達到 2.1GW、2025 年有望達到 4.9GW。從產能規模看，將成為僅次於 FIRST SOLAR 的全球第二大薄膜電池製造商。