20220802-光大证券-建筑建材行业_新基建_系列之四_薄膜电池_BIPV助推产业发展_材料环节最为受益_38页_2mb.pdf

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2022 年 8 月 2 日 行业研究 薄膜电池：BIPV助推产业发展，材料环节最为受益 建筑建材行业“新基建”系列之四 非金属类建材 复盘薄膜电池发展历史和 First Solar 的成功经验 薄膜太阳能电池理论转化效率（基本在 32%+）较晶硅电池（不足 30%）更高，但在竞争过程中，其实际转换效率始终落后。在 1980-1988 年和 2004-2019 年这两个时间段内薄膜电池市场份额逐步提升，其核心在于制造成本的优势，同时伴随发电效率和使用寿命的持续提升，使得综合竞争力阶段性占优。 目前薄膜电池最主流的方向是碲化镉，First Sola 占据全球 95%的市场份额。总结其成功经验，发现关键因素在于：选择最有前景的技术路径、持续技术进步推动降本增效、友好的生存土壤、坚守现金流底线。 我国薄膜电池实验室理论效率已达国际第一梯队，但产业化应用仍处于起步阶段，选择合适的路径并找到稳定的应用场景，对于促进产业良性循环至关重要。而钙钛矿薄膜电池理论转化效率更高，尤其 HJT+钙钛矿叠层电池可进一步提升转换效率和降低生产成本，未来具备较大发展空间。 BIPV 有望带动薄膜电池进入发展快车道，并将来的降本空间持续打开： BIPV 可利用空间主要集中在屋顶和立面两个方向，屋顶光伏晶硅电池占据绝对优势，但更多采用光伏-建材模块形式，并不是 BIPV 的最终形态。诚然当前应用于屋顶的上述方式是主流途径和经济性最优解。但从城市空间而言，高层建筑立面面积逻辑上大于屋顶面积，意味着如果国家推动超低能耗建筑等路径，建筑立面发电也将是大势所趋和有效补充，而薄膜电池将是建筑立面发电较好的选择。主要由于：弱光性好；温度系数较小；可满足业主对于建筑物美观和异形的要求，且是典型的 BIPV 最终形态之一。此外，从建筑消防安全角度来看，薄膜电池更小的热斑效应优势应受到格外重视。 我们认为未来薄膜电池的“主战场”将主要在公共设施和商业建筑领域外立面。经测算，仅在该领域至 2030 年全国薄膜电池累计装机空间将达到 38GW，市场空间超 700 亿元。 我们以国际当前最先进的 First Solar Series 6 组件为例，测算其在建筑立面商业化应用的投资回收周期约为 3.8 年，极具吸引力。回收期较短的核心原因，是我们用传统玻璃幕墙建造成本进行了部分抵消，使得增量成本并不高。长期来看，薄膜电池产业链高度集成，原材料成本占比不高，未来仍有很大降本增效空间。 在政策催化下，BIPV 未来发展前景广阔，但从稀缺性及投资价值角度而言，材料环节或优于建造环节，具体如薄膜电池及相关配套产品等领域。 优先建议关注材料板块：推荐洛阳玻璃已受托管理控股股东凯盛集团的部分碲化镉、铜铟镓锡薄膜电池资产，未来有望继续深耕薄膜电池领域。建议关注金晶科技TCO 导电膜玻璃作为钙钛矿、碲化镉薄膜电池上游关键辅件，具有较高技术壁垒，公司在该领域技术已处于国内领先，并投产国内首条产线。建议关注旗滨集团、南玻 A积极拓展光伏领域业务，超白浮法未来有望加快向薄膜电池领域应用。 其次考虑建筑施工板块，但弹性和价值量或稍弱：建议关注中国建筑兴业、江河集团国内幕墙领域领军企业，具备更强的施工能力以满足 BIPV 的设计和施工要求，正在加大与薄膜电池企业合作力度，未来或受益于产业发展红利。 风险分析：政策推进不及预期；下游接受度不及预期；技术进步不及预期；行业标准出台不及预期。 增持（维持） 建筑和工程 买入（维持） 作者 分析师：孙伟风 执业证书编号：S0930516110003 021-52523822 分析师：冯孟乾 执业证书编号：S0930521050001 010-58452063 联系人：陈奇凡 021-52523819 联系人：高鑫 021-52523872 行业与沪深 300 指数对比图 - 2 7 %- 1 3 %0%13%26%0 7 /2 1 1 0 /2 1 0 1 /2 2 0 4 /2 2建筑和工程 沪深 300 资料来源：Wind 要点 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 投资聚焦 我们的创新之处 1、薄膜电池和晶硅电池竞争过程中，实际转换效率始终落后，但在部分时间段综合竞争力阶段性占优，核心在于制造成本的优势，同时伴随发电效率和使用寿命的持续提升。我们总结国内薄膜电池产业化发展瓶颈：1）集成化特性限制产业推动力量不足，制造工艺仍在不断改善；2）晶硅电池凭借较低的成本和更高的转化效率，已牢牢占据下游主流市场；3）尚未出现稳定的应用场景，以吸引资源快速投入。技术路线特点决定薄膜电池的转换效率上限更高，未来具备更大降本潜力。因此找到自身优势应用领域（如建筑立面），避开和晶硅电池的正面交锋，也是薄膜电池突破发展瓶颈的重要途径。 2、我们以国际当前最先进的 First Solar Series 6 组件为例，测算其在建筑立面商业化应用的投资回收周期。仅考虑增量成本，碲化镉薄膜电池系统实际初始投资成本为 287 元/平米，回收周期约为 3.8 年。回收期较短的核心原因，是我们用传统玻璃幕墙建造成本进行了抵消（因为不安装薄膜电池光伏系统仍需要安装玻璃幕墙），因此增量成本并不高。当然以上测算均为最乐观情况下的假设，实际上国内厂家薄膜电池组件的发电效率偏低、成本偏高，且并未考虑组件衰减以及运维费用，同时安装薄膜电池较普通玻璃幕墙费用也应更高。 3、我们对我国薄膜电池市场空间进行了测算，认为未来薄膜电池的主战场将主要在公共设施和商业建筑领域外立面。至 2030 年，薄膜电池组件可铺设面积有望达到 2.5 亿平米，假设平均装机量为 150w/平米，累计装机空间为 38GW，市场空间约 718 亿元。 投资观点 建筑光伏是实现建筑节能减碳的有效方式，BAPV 和 BIPV 是两种主要形式，可利用空间主要集中在屋顶和立面两个方向。目前主流的光伏屋顶路径更多介于BIPV 与 BAPV 之间，即光伏发电模组并非建筑材料（或者能够承担建筑材料功能），更多是光伏材料与建筑材料组合形成模块，即光伏材料负责发电，而建筑材料负责载荷，但这并不是 BIPV 的最终形态。 在屋顶光伏应用场景下，当前晶硅太阳能电池板几乎占据绝对优势。而在外立面应用方向，薄膜太阳能电池则具有得天独厚的优势：1、弱光性好，因此对入射光角度适应性强；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，在被遮挡导致局部组件温度过高时，可有效降低功率损失（建筑立面更易被周围环境遮挡）；4、从美学角度考量，薄膜太阳能电池可根据需要制作成不同的透光率，并通过改变颜色和形状，满足业主对于建筑物美观和异形的要求。 诚然当前应用于屋顶的光伏-建材模块是现阶段的主流途径和经济性最优解，但从城市空间而言，高层建筑立面面积逻辑上大于屋顶面积，意味着如果国家推动超低能耗建筑等路径，建筑立面发电也将是大势所趋和有效补充。而且我们认为薄膜电池是较为典型的 BIPV 最终形态之一，对于建筑立面发电是较好的选择，其和晶硅电池并非绝对替代关系，而是协力将建筑物节能降碳做到最大化。 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 非金属建材 目 录 1、 薄膜电池：“会发电的玻璃” . 6 1.1、 薄膜电池简介 . 6 1.2、 碲化镉电池：当前主流薄膜电池路径 . 7 1.3、 铜铟镓硒电池：理论光电转换效率更高 . 11 1.4、 复盘薄膜电池发展历史，与晶硅电池之争的关键在于综合成本高低 . 13 1.5、 薄膜电池具备更大降本潜力 . 14 2、 他山之石可以攻玉： First Solar启示录 . 16 2.1、 全球薄膜电池市场规模仍然较小，其中First Solar占据主要份额 . 16 2.2、 First Solar发展复盘 . 16 2.3、 First Solar成功的关键因素 . 18 3、 国内薄膜电池产业化发展尚在起步阶段 . 22 3.1、 理论研究跻身前列，产业化尚待进一步突破 . 22 3.2、 国内薄膜电池产业化发展瓶颈 . 22 3.3、 国内企业正在用实际行动不断推动产业进步 . 24 4、 不以短击长，而以长击短：有望借BIPV东风逐步放量 . 25 4.1、 建筑行业作为“高耗能”、“高排放”行业，成为碳减排重点 . 25 4.2、 分布式光伏系统（BAPV+BIPV），是建筑光伏的主要结合形式. 26 4.3、 建筑物立面或将成为薄膜电池的主要应用场景 . 26 4.4、 碲化镉薄膜电池投资回收周期测算 . 28 4.5、 我国薄膜电池市场空间测算 . 30 4.6、 产业链合作正在加强，以期实现双赢 . 31 5、 投资建议 . 34 6、 风险分析 . 36 附录：当前BIPV推广所面临的问题及建议 . 37 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 非金属建材 图目录 图1：全球薄膜太阳能电池产量变化情况 . 6 图2：碲化镉薄膜电池原理图 . 7 图3：碲化镉薄膜电池生产工序 . 8 图4：近空间升华法（CSS）原理图 . 8 图5：碲化镉电池弱光性能优于多晶硅电池 . 9 图6：碲化镉薄膜电池温度系数较低 . 9 图7：碲化镉薄膜电池组件回收过程 . 10 图8：碲化镉薄膜电池实验室转化效率持续提升 . 10 图9：碲化镉组件性能优势 . 11 图10：铜铟镓硒薄膜电池原理图 . 11 图11：CIGS薄膜工艺制作流程 . 12 图12：LCOE公式解析 . 13 图13：全球光伏组件市场销售量占比. 14 图14：C-Si组件售价组成拆解（美元） . 15 图15：CdTe组件售价组成拆解（美元） . 15 图16：CSi组件(多晶硅PERC电池组件)技术路线 . 15 图17：CdTe组件技术路线 . 15 图18：各类薄膜电池组件销量市场占比 . 16 图19：First Solar 20062020年组件产量增长图 . 17 图20：First Solar与天合光能组件制造成本对比（美分/瓦） . 17 图21：First Solar薄膜电池组件发电功率规划蓝图 . 18 图22：First Solar碲化镉薄膜电池组件单位发电成本降低趋势 . 18 图23：晶硅电池组件成本变化图 . 19 图24：中国光伏企业入局加速晶硅电池成本下降 . 19 图25：薄膜电池组件成本与尺寸间关系 . 19 图26：薄膜电池组件成本与转化效率关系 . 19 图27：光伏组件衰减变化图 . 20 图28：美国光伏组件市场装机量变化趋势 . 20 图29：First Solar在手现金变化趋势 . 21 图30：薄膜电池产业正循环 . 23 图31：2019年我国建筑全过程碳排放占比 . 25 图32：2019年我国建筑全过程碳排放细分（单位：亿吨CO2） . 25 图33：全国建筑碳排放结构 . 25 图34：光伏发电系统结构图 . 26 图35：蚌埠市体育中心（圆形屋顶为铜铟镓硒电池组件） . 27 图36：潼湖科技小镇（外立面采用铜铟镓硒电池组件） . 27 图37：成都双流机场航站楼（L1 通道采用碲化镉电池组件） . 27 图38：中建材丽江水泥厂（外立面选用碲化镉薄膜电池） . 27 图39：世园会中国馆（屋顶运用碲化镉薄膜电池） . 28 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 非金属建材 图40：大同未来能源馆（外立面采用仿铝材型碲化镉薄膜组件） . 28 图41：2021-2030年，我国工商业分布式光伏系统初始全投资变化趋势（元/瓦） . 29 图42：不同倾角下，晶硅电池发电效率 . 29 图43：我国公共设施与商业建筑竣工面积（亿平米） . 30 图44：薄膜电池产业链情况 . 33 表目录 表1：主流薄膜电池分类 . 6 表2：美国商务部对华双反政策税率 . 21 表3：薄膜电池实验室转化率对比 . 22 表4：薄膜电池与晶硅电池转换效率对比 . 23 表5：2030年，我国薄膜电池装机市场空间 . 31 表6：薄膜电池制造商与建筑企业合作案例 . 33 表7：BIPV（薄膜）产业链相关公司 . 34 表8：洛阳玻璃盈利预测与估值简表 . 35 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 1、 薄膜电池：“会发电的玻璃” 1.1、 薄膜电池简介 薄膜太阳能电池主要指在绝缘的半导体玻璃表面涂覆一层串联的化合物薄膜电池组件（如碲化镉、铜铟镓硒及砷化镓薄膜等），在受到太阳光照射后，将光能转化为电能。薄膜电池通过将玻璃和光电材料有机结合，使得建筑材料实现自主发电，因此被称为“发电玻璃”。 目前的薄膜太阳能电池市场中，碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池产量最高，商业化技术也最为成熟；铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池近年来产量也在持续提升；而硅基薄膜电池和其他非晶硅薄膜电池由于转化效率较低在逐渐被市场淘汰。 表 1：主流薄膜电池分类 产品 定义 碲化镉(CdTe)薄膜电池 碲化镉(CdTe)薄膜电池是以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础的太阳能电池。 铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池是一种吸收层采用铜铟镓硒为材料的多元化合物多晶半导体薄膜太阳能电池。 硅基薄膜电池 硅基薄膜光伏电池是所有以硅为主要材料的薄膜类太阳电池的总称。 资料来源：OFweek 太阳能光伏网等，光大证券研究所整理 不同于晶硅光伏产业的快速发展，薄膜电池产业整体发展较为缓慢，且主要为美国 First Solar 一家拉动。2021 年全球薄膜太阳能产量约为 8.28GW，同比增长27.7%。 图 1：全球薄膜太阳能电池产量变化情况 资料来源： Wind，光大证券研究所 注：2019、2020、2021 年产能增加主要系 First Solar 扩充产能，其他薄膜太阳能电池生产企业产量无明显新增产线 敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 1.2、 碲化镉电池：当前主流薄膜电池路径 发电原理 碲化镉薄膜电池的基本原理是由太阳光子与半导体相互作用产生电势输出电能。主要由 5 层结构组成：玻璃层、透明导电氧化层(TCO 层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极层。CdTe 吸收层和 CdS 窗口层结合形成 p-n 结，当光照到 p-n 结时吸收层电子跃迁到导带（固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围）同时在价带（已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量带）中产生空穴，致使 p-n 结产生电子-空穴对，空穴聚集将增强 p 型电导。此时将外电路与 p-n 结连通，就可将产生的电流通过由 TCO 层薄膜和玻璃背板连接的电极引出，实现发电。 图 2：碲化镉薄膜电池原理图 资料来源：索比光伏网，光大证券研究所 材料的带隙宽度和光吸收率决定了发电效率。带隙宽度是光子能被吸收的最低阈值；光吸收率决定了能被吸收的光子中得以利用的比率。阳光照射时仅有能量大于带隙宽度的光子能被半导体吸收，最佳带隙范围一般在 1.4eV 左右。 碲化镉作为-族化合物半导体，直接带隙为 1.45eV，位于理想太阳能电池能隙范围，光吸收系数为 105/cm-2，因此其具备成为优秀发电材料的理论基础。制作碲化镉薄膜电池组件时仅需涂抹 2 微米厚的 CdTe 薄膜，就可以使得组件在AM1.5 条件（组件温度 25，光照为每平方米 1000 瓦，大气质量为 AM1.5）下吸收 99%的太阳光，最高理论转换效率高达 32.8%。 集成化程度较高，薄膜沉积和后处理工艺是关键 碲化镉薄膜电池生产集成化程度较高，多个制备进程可在同一个工厂完成，整个过程耗时较短，工序简单。而晶硅生产中从晶硅硅片电池片组件过程往往需要在多个工厂经过多道工序。 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 3：碲化镉薄膜电池生产工序 资料来源：新型碲化镉薄膜太阳电池能带调控及电池制备研究（郑根华），光大证券研究所绘制 为同时满足低成本生产和高沉积速率的商业化条件，碲化镉薄膜电池工业生产主要采用近空间升华（CSS）和气象传输沉淀（VTD）两种方法制备。两种方法理论上都可以满足技术和商业化应用要求，不过实际应用中需要积累生产经验不断优化生产工艺。 CSS 通过将 CdTe 固体原材料加热至 450以上升华分解，再将其凝结至450600的玻璃衬底上形成均匀的碲化镉薄膜，能够在约 1um/min 的沉积速率下得到高品质薄膜，是目前广为使用的方法。 VTD前期步骤与 CSS 类似，通过加热 CdTe 固体使其受热挥发出 CdTe 蒸汽，但不同的是再利用传输气体（氦气、氧气等）将 CdTe 蒸汽于基板表面凝集成膜。此种方法沉积速率较快，为美国 First Solar 专利独有，亦构成其技术护城河。 图 4：近空间升华法（CSS）原理图 资料来源：太阳能光伏网，光大证券研究所 敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 由于发电效率与开路电压和短路电流成正比，可以通过对沉积薄膜的后处理增大电压电流实现效率提升，工业生产中主要使用含氯气氛处理和激光划刻处理两种方法。 含氯气氛处理通常指将所得CdTe薄膜置于400的CdCl2气氛之中使其发生反应实现再结晶。未经过含氯气氛处理的 CdTe 太阳能电池，产生的短路电流较小，无法满足效率需求。通过 CdCl2再处理，一方面可以增大晶粒尺寸，减少晶界缺陷，另一方面通过热处理优化界面结构，提高吸收层的载流子寿命，从而提升电流大小和效率。 激光划刻处理通过把连续膜层分割成若干电池单体，再将电池串联集成实现开路电压和短路电流的提升。选用不同规格激光划刻 CdTe 薄膜时刻槽边缘形状不同，为令后续沉积层与接触层发挥良好的欧姆特性，应选用刻槽边缘较为平缓的激光进行划刻。 对标晶硅电池，碲化镉薄膜电池具备自身特有优点 与晶硅太阳能组件相比，除理论效率更高，碲化镉薄膜太阳能电池组件还具有很多潜在优点： 1）温度系数低，碲化镉温度系数约为-0.25%/，比晶体硅太阳能电池低一半左右，可适用于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。 2）弱光效应好，由于碲化镉为直接带隙半导体，强弱光均可发电，拥有最好的光谱响应，在清晨、傍晚、积雪、积灰、雾霾等弱光条件下发光效果明显优于间接带隙材料的晶硅电池。 3）热斑效应弱，通常光伏组件局部被遮蔽时会发热，该区域被偏置成负载消耗能量，薄膜电池的弱光性能使得其电力损失更低。 4）强度高、易加工，由于碲化镉薄膜内含轻质化产品和纤维，其表面硬度高且具备类似木材的加工性能。 5）回收期短，最高超过90%的组件可回收进行循环利用，欧洲PV Accept Project报告显示，碲化镉薄膜电池的能量回收期仅为 10.8 个月，而晶体硅电池则需要2.5-3 年。 6）美观、可灵活定制，碲化镉薄膜玻璃可改变透光率和颜色，且在建筑上属夹胶类安全玻璃范畴。 图 5：碲化镉电池弱光性能优于多晶硅电池 图 6：碲化镉薄膜电池温度系数较低 资料来源：瑞科新能源官网，光大证券研究所 资料来源：瑞科新能源官网，光大证券研究所 敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 7：碲化镉薄膜电池组件回收过程 资料来源：FirstSolar 官网，光大证券研究所 实验室转化效率已达较高水平，部分应用领域具备差异化优势 根据碲化镉组件能量转化效率发展曲线，First Solar 公司在 20112016 年期间将实验室电池转化效率从 16%提升至 22.1%。 根据 First Solar 15 年官方提供的项目模拟模型 Energy Capacity Assessment Tool，因为碲化镉薄膜电池具有弱光性能强、温度系数更低、光谱响应更优等特点，在部分特定地区规模应用时，项目发电量与晶硅产品相比领先幅度高达 9%。 图 8：碲化镉薄膜电池实验室转化效率持续提升 资料来源：NREL 官网，光大证券研究所 敬请参阅最后一页特别声明 -11- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 9：碲化镉组件性能优势 资料来源：First Solar 官网，光大证券研究所 1.3、 铜铟镓硒电池：理论光电转换效率更高 发电原理 铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池是一种吸收层采用铜铟镓硒材料的多元化合物多晶半导体薄膜太阳能电池，结构与发电原理类似于碲化镉薄膜电池。 结构上包括：减反射膜（MgF2）、窗口层（ZnO）、过渡层（CdS）、吸收层（CIGS）、金属背电极（Mo）、玻璃衬底等。其中，吸收层 CIGS 为关键材料，发电以 P-N异质结为基础。阳光照射时光子穿过导电层、缓冲层到达吸收层载流子分离，负电荷走向顶电极，正电荷走向背电极，从而实现发电。 CIGS 电池可以通过向吸收层 加入 Ca 元素并令其部分取代 In 原子实现带隙的调节，范围为 1.04eV1.72eV。此外铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）四种元素构成的吸收层可吸收波长范围较广，其中包括波长 700nm1200nm 的红外光。因此其可吸收光子发电的时间最长，是理论上转换效率最高的（居薄膜太阳能电池之首）的光伏材料。 图 10：铜铟镓硒薄膜电池原理图 资料来源：索比光伏网，光大证券研究所 敬请参阅最后一页特别声明 -12- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 技术百家争鸣，大面积制备和成本问题是产业化瓶颈 铜铟镓硒薄膜电池制备路线主要分为真空工艺和非真空工艺，具体工艺路线多样。虽然非真空工艺初期投资成本较低，但由于关键核心技术未突破实际转化效率低的瓶颈，目前满足商业化要求的主要采用真空工艺中的溅射+硒化法。 溅射+硒化法主要包含“衬底制作Mo 电极制备铜铟镓硒薄膜溅射高温硒化”四个步骤。溅射指利用高能投射粒子撞击引发靶粒子喷射飞向基片沉积成膜，硒化指将溅射步骤所得铜铟镓预制薄膜层在硒气氛中高温硒化，最终形成铜铟镓硒结构。由于整个制备过程在真空下进行，产线设备较为昂贵，前期投资成本较大，再加上溅射过程中镓元素掺杂浓度和硒化工艺中气流、加热器分布控制较难把控，导致大面积镀膜时均匀度有待提升，产业化放量过程仍有很长的路要走。 图 11：CIGS 薄膜工艺制作流程 资料来源：铜铟镓硒薄膜太阳电池关键制备工艺分析及性能测试（黄云翔），光大证券研究所 应用场景类似碲化镉薄膜电池，未来发展值得期待 铜铟镓硒薄膜电池的优点与碲化镉薄膜电池类似，同样具有理论转换效率高、使用寿命长（可达 30 年）、不会产生光致衰退效应、弱光效应好、轻薄美观、污染小、太阳光谱响应范围大等特点。 由于大规模量产下的成本和效率有待进一步优化，目前铜铟镓硒薄膜电池应用推广尚不如碲化镉薄膜电池。随着以凯盛科技集团为首的企业不断进行技术研发攻关，以期实现降本增效，未来发展值得期待。2017 年，凯盛光伏材料在安徽省蚌埠投产首个铜铟镓硒光伏产业基地，年产能达到 300MW，目前已规划建设多条铜铟镓硒薄膜太阳能电池生产线。2021 年，经美国国家可再生能源实验室(NREL)测试证实，凯盛集团下属德国 Avancis 公司生产的30 厘米30厘米铜铟镓硒太阳能电池组件的光电转换效率达到 19.64%，再次打破了铜铟镓硒太阳能电池组件光电转换效率的世界纪录，为工业化量产和规模化生产打下了坚实的基础。 敬请参阅最后一页特别声明 -13- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 1.4、 复盘薄膜电池发展历史，与晶硅电池之争的关键在于综合成本高低 考量光伏组件的经济性，我们首先要引入度电成本的概念，即对项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本（生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值）。通常用 LCOE（Levelized Cost of Electricity）表示，具体计算公式如下： 图 12：LCOE 公式解析 资料来源：北极星太阳能光伏网，光大证券研究所 从计算公式中我们可以看到，对度电成本影响最大就是初始资金投入、运维成本和发电量。初始投资成本可以进一步拆分为：组件生产成本、建安工程成本、一次土地成本、电网接入成本等；发电量可以进一步拆分为：发电效率和组件寿命。因此，我们认为影响光伏组件经济性的主要变量即组件生产成本、发电效率和使用寿命。 1980 年以来，薄膜电池路线曾在 1980-1988 年和 2004-2009 年这两个时间段内占据竞争优势，市场份额逐步提升。其中核心推动力在于组件生产成本的优势，同时伴随发电效率和使用寿命的持续提升，使其综合竞争力阶段性占优。 1、（1980-1988 年）硅基薄膜电池诞生，成本优势明显，需求快速放量 薄膜电池最初的技术路径即为硅基薄膜电池，诞生于 1976 年，美国 RCA 实验室的 D Carlson 等人研制出 p-i-n 结构的非晶硅(a-Si)太阳电池，实验室效率为2.4%，并在 1980 年将其效率提升至 8%（摘自耿新华的期刊论文硅基薄膜太阳电池技术的发展）。此后硅基薄膜太阳电池迅速投入产业化，日本三洋电气公司在 1980 年使用其制成计算器，正式实现工业化生产。 硅基薄膜电池诞生之后快速得到推广，主要在于其显著的成本优势。1、节约材料成本：其厚度一般小于 1m，不到晶体硅电池厚度的 1/100；2、低温工艺技术（200）：不仅实现节能降耗，同时可采用玻璃、塑料等廉价衬底；3、工序简捷。1988 年，硅基薄膜电池的市场销量份额一度达到 30%。 受制于光致衰退效应，硅基薄膜电池迟迟无法突破效率瓶颈，在竞争中逐渐处于下风。光致衰退的主要原因是本征非晶硅的 S-W 效应，即经较长时间的强光照射或电流通过，在其内部产生缺陷而使薄膜电池的使用性能下降。由于硅基薄膜电池初期产品的效率较低再叠加 30%以上的衰退率，使得成本优势渐渐丧失。而同期晶硅电池规模优势逐渐显现，成本也在持续降低，使得硅基薄膜电池竞争力下滑，1990 年之后产量停滞不前，市场份额开始持续走低。 敬请参阅最后一页特别声明 -14- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 13：全球光伏组件市场销售量占比 资料来源：Fraunhofer 官网，光大证券研究所 2、（2004-2009 年）碲化镉薄膜电池实现产业化，效率和成本进一步优化，同时受益于晶硅电池成本上涨 2004 年，First Solar 成功推动碲化镉薄膜电池并实现产业化。相比硅基薄膜电池，碲化镉薄膜电池不存在光致衰退效应，且转化效率更高。根据 First Solar公司公告，2006 年量产转化效率达到 9.5%。薄膜电池制造成本在生产成本中占比较高，而 First Solar 通过自身技术优势，成功掌握关键制程设备，并通过规模扩张，持续降低碲化镉薄膜电池的制备成本，使其成为薄膜电池的主流路径。 2005 年，供不应求导致多晶硅价格大幅攀升，晶硅电池成本明显提高，这使得碲化镉薄膜电池成本优势逐渐显现，助力薄膜电池市场份额再度实现扩张。2005 年，硅料价格仅 100 美元/kg 左右，至 2008 年 9 月已高达 500 美元/kg 左右。借此机会，碲化镉薄膜电池的市占率由 2005 年的 6.5%增加至 2009 年的 19.5%，达到新一轮扩张的高峰。 2008 -2009 年硅料价格高位回落，随后伴随我国厂商扩产，2010 年-2011 年再次迎来多晶硅料价格的断崖式下跌。连续两轮多晶硅价格的下滑，带动晶硅电池组件成本快速下降，并且此后持续下探。薄膜电池成本优势不断弱化，最终市场销量份额在 2020 年萎缩至 5%以下。 通过两轮复盘，我们认为薄膜电池在与晶硅电池竞争过程中，实际转换效率始终落后，其阶段性的核心优势即制造成本较低。2012 年以后，随着晶硅电池持续降本，且发电效率亦在稳步提升，一直保持对于薄膜电池的竞争优势，最终成为光伏组件市场的主流，至今尚未被撼动。 1.5、 薄膜电池具备更大降本潜力 我们不排除未来硅料价格再度超预期上涨，给予薄膜电池制造成本优势，但这种情况不可预期，且难以持续。从理论而言，技术路线特点决定薄膜电池的理论转换效率更高，且生产设备投入带来的制造成本占比也更高。因此薄膜电池竞争力提升的根本途径仍在于量产转换效率的提升。一方面可摊薄制造成本，另一方面发电量的增加亦可降低初始投资回收时间，从而带来综合度电成本的降低。 我们选取多晶硅-PERC 电池组件与碲化镉薄膜电池组件进行对比，根据 NREL数据，2020 年 First Solar 的 Series 6 在亚洲销售价格为 0.28 美元/瓦，高于C-Si组件的 0.245 美元/瓦。按照销售价格的构成来看，Series 6 组件材料成本 敬请参阅最后一页特别声明 -15- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 占比仅为 63%，低于 C-Si 组件的 76%，摊销和管理运维费用占比相对较高，理论上转化效率越高，降本空间越大。 图 14：C-Si 组件售价组成拆解（美元） 图 15：CdTe 组件售价组成拆解（美元） 资料来源：NREL，光大证券研究所（2020 年） 资料来源：NREL，光大证券研究所（2020 年） 图 16：CSi 组件(多晶硅 PERC 电池组件)技术路线 图 17：CdTe 组件技术路线 资料来源：NREL，光大证券研究所 资料来源：NREL，光大证券研究所 First Solar 在 2018 年推出的 Series 6 组件量产转化效率已到达 18%，为全球同类产品最高，与晶硅发电 23%的量产转化效率越来越接近。近年来，Series 6组件出货量快速增加，First Solar 也在积极扩充产能。2018 年之后，薄膜电池的市场份额已再现提升趋势。此外，随着钙钛矿薄膜电池技术的发展，有可能成为推动薄膜电池发展的新动力。 此外，找到自身优势应用领域（如建筑立面），避开和晶硅电池的正面交锋，也是薄膜电池突破发展瓶颈的重要途径。这一部分我们将在本文第四章节着重探讨。 敬请参阅最后一页特别声明 -16- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 2、 他山之石可以攻玉： First Solar 启示录 2.1、 全球薄膜电池市场规模仍然较小，其中 First Solar占据主要份额 薄膜太阳能电池的产业化和商业化应用正在持续得到推广验证，但当前光伏市场仍以晶硅电池主导。根据 Fraunhofer ISE 发布的全球光伏市场研究报告，2020年全球薄膜电池市场份额仅为 5%，其中又以碲化镉为主，比例达到 78%。 First Solar 成立于 1999 年，目前是全球最大的薄膜太阳能电池组件生产商，占据碲化镉薄膜电池销量 95%左右的市场份额。其拥有的 VTD 技术具备镀膜速度快、均匀度高、原材料无需更换、材料利用率高等优势，使其拥有全球产业化最高的碲化镉薄膜电池发电效率，在市场竞争中居于领先地位。 图 18：各类薄膜电池组件销量市场占比 资料来源：Fraunhofer 官网，光大证券研究所 2.2、 First Solar发展复盘 First Solar 公司于 2002 年建成世界最大的碲化镉薄膜电池组件自动化生产线，并在 2004 年将产品推入市场，此后凭借先进的技术和工艺优势，在 2016 年之后几乎垄断了全球碲化镉薄膜电池市场。 作为最早实现碲化镉薄膜发电商业化的企业之一，First Solar 的发展经历了：蓬勃发展高压调整蛰伏前行重新崛起四个阶段。 1、蓬勃发展期（2000-2009 年）。First Solar 在 1999年建设第一条碲化镉薄膜电池试生产线，2002 年产能扩大至 1.5MW。公司于 2006 年上市后，受益于全球太阳能电池产业市场需求拉动以及晶硅电池成本上升，产量快速增长，从2006 年的 56MW 增长至 2009 年的 1113MW，CAGR 高达 170.88%。 敬请参阅最后一页特别声明 -17- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 19：First Solar 20062020 年组件产量增长图 资料来源：Bloomberg，光大证券研究所 2、高压调整期（2010-2014 年）。早前大规模的产能扩张，使得光伏产业出现严重的供给过剩，硅料价格暴跌带来晶硅电池成本下降，也在挤压薄膜电池的生存空间。2010 年至 2012 年，全球光伏组件现货价格自 1.99 美元/W 降至0.72美元/W。First Solar 在 2012年关停了部分产能，其中包括德国法兰克福全部产线、马来西亚 4 条产线，最终留存 20 条产线。 3、蛰伏前行期（2015 年-2018 年） 在各国政府政策扶持下，光伏产业逐渐回暖， First Solar 装机量也呈增长态势。不过由于晶硅电池的商业化发电效率更高且成本优势逐渐显现，发展更为迅速。 图 20：First Solar 与天合光能组件制造成本对比（美分/瓦） 资料来源：Bloomberg，光大证券研究所 4、重新崛起期（2019 年-至今） First Solar 持续推动技术进步和产品更新，2019 年 Series6 正式商业化投放，进一步提升碲化镉薄膜电池竞争力。根据 First Solar 公司官方数据，Series6 薄膜电池组件发电量和单位发电成本进一步优化，推动了公司产能进入新一轮扩张周期。2019 年公司光伏组件产能扩建至 5.5GW，较上年同期增长约两倍，全年组件出货量达到 5.4GW，净订单量达到 6.1GW，为历史新高。 敬请参阅最后一页特别声明 -18- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 公司碲化镉薄膜电池供不应求，扩产动作加快。2020 年公司产能利用率达到了117%，2021Q2订单需求高达 9GW。未来公司将继续扩产，计划在总部美国Ohio 州和印度均扩充 3.3GW产能，预计在 2024 年产能有望达到 16GW。2021年，公司组件出货量约为 7.7GW，2022 年出货指导提升至 9.4GW。 图 21：First Solar 薄膜电池组件发电功率规划蓝图 图 22：First Solar 碲化镉薄膜电池组件单位发电成本降低趋势 资料来源：First Solar 公司官网，光大证券研究所 资料来源：First Solar 公司官网，光大证券研究所 2.3、 First Solar成功的关键因素 复盘 First Solar 的发展历程，我们认为公司在晶硅组件占主导的光伏市场中，仍能占据一席之地，主要有以下关键因素。 关键因素之一：进入市场时点合适，技术路径选择正确 First Solar 进入光伏市场时，光伏市场仍处在起步期，市场对于不同类型产品的接受度较高，根据性能和成本进行综合评判。2005 年开始，随着晶硅成本的上涨，公司凭借产品稳定的性能和初期成本优势逐步提升市场份额，一度成为全球第一光伏组件厂。 First Solar 在切入薄膜电池领域之初就持续致力于发展碲化镉薄膜电池相关技术，并未涉足砷化镓、铜铟镓硒、高效硅异质结、非晶硅技术等其他路线，事实证明，直至目前碲化镉路线仍然是薄膜电池产业化较好选择。 关键因素之二：持续推动技术进步，带来效率提升、成本下降 晶硅电池组件成本构成中，原材料占比最高，原材料价格的下行，可使得成本大幅降低。晶硅组件原材料由于技术壁垒和进入门槛较低，市场竞争激烈，尤其在中国企业凭借廉价劳动力和资源优势进入国际市场后，进一步拉低了行业整体成本。晶硅电池组件成本由 2010 年的 1.55 美元/W降至 2020 年的 0.28 美元/W。 敬请参阅最后一页特别声明 -19- 证券研究报告 非金属建材/建筑和工程 图 23：晶硅电池组件成本变化图 图 24：中国光伏企业入局加速晶硅电池成本下降 资料来源：NREL 官网，光大证券研究所 资料来源：NREL 官网，光大证券研究所 注：折线图对应右轴，柱状图对应左轴 薄膜电池组件的技术原理决定了原材料成本占比较少，而提升组件面积和转化效率是降低成本的关键。根据 NREL 官方研究数据测算，提升组件面积可以很大程度降