透明導電，光明未來：探索TCO玻璃的技術突破與應用前景
核心提示：TCO玻璃即透明導電氧化物鍍膜（Transparent Conductive Oxides, TCO）玻璃，是 在平板玻璃表面通過物理或者化學鍍膜的方法均勻地
TCO玻璃即透明導電氧化物鍍膜（Transparent Conductive Oxides, TCO）玻璃，是 在平板玻璃表面通過物理或者化學鍍膜的方法均勻地鍍上一層透明的導電氧化物薄 膜。廣義TCO玻璃包括不同組成成分（即鍍有不同TCO靶材）的平板玻璃，下游廣 泛應用于平板顯示器、太陽能電池和建筑節能等領域，而本文的TCO玻璃（狹義的 TCO玻璃）專指薄膜太陽能電池用TCO鍍膜玻璃。 TCO鍍膜導電玻璃主要應用于第二代光伏電池中的碲化鎘薄膜電池和第三代光伏電 池中的鈣鈦礦電池，由于非晶硅薄膜太陽能電池的半導體層幾乎沒有橫向導電性能， 必須使用TCO玻璃作為前電極來有效地收集電池電流，所以TCO玻璃成為薄膜太陽 能電池不可或缺的組成部分。
從晶硅到薄膜電池，光伏玻璃重要性顯著提升，成本占比上升至1/3。晶硅太陽能電 池中，晶硅可以直接充當襯底基板，大部分情況下晶硅光伏玻璃僅作為封裝材料， 除了對其可見光透過率和外觀、尺寸有要求外，并無其它特別要求，按23年4月最新 報價，182單玻/雙玻組件中玻璃成本約占8%/11%。而在薄膜太陽能電池中，TCO鍍 膜玻璃（屬于薄膜光伏玻璃）直接充當電池組件的襯底基板，直接影響電池發電性 能，對其平整度、透光率、導電性及鍍膜工藝等要求也較高，其成本一般占薄膜太陽 能電池組件成本的33%左右，是薄膜太陽能電池的核心部件。以協鑫光電100MW級 別鈣鈦礦組件的量產成本構成為例，玻璃及其他封裝材料占比達到34%，成為成本 占比最大部分。
薄膜太陽能電池對TCO玻璃有哪些要求？
TCO玻璃是薄膜電池的前電極，也是電池的支撐材料和窗口材料，主要用于碲化鎘（CdTe）電池和鈣鈦礦電池。在功能上，TCO玻璃一是為電池的多層膜材料結構提供物理上的機械支撐；二是讓太陽光透過，并被光伏材料吸收轉換為電能；三是作為電極材料成為光伏器件的基本組成單元。對TCO的性能要求，主要有以下幾方面：
1.光伏透射比。即在太陽能電池光譜響應范圍內的太陽光透射比，對薄膜電池來說，一般是指300~1000nm波段，這一點跟普通建筑玻璃有所不同，一般建筑玻璃關心的是可見光波段，即380~780nm，兩者在測試方法和適用標準上都不相同。TCO玻璃應讓盡可能多的太陽光透過，一般要求光伏透射比至少在82%以上。
2.電導率。一般用方塊電阻來表示。方塊電阻越低，表示導電性越強，意味著電阻損失越小，因此電池要求電阻盡可能小。一般TCO玻璃要求方塊電阻要小于12Ω/□。
3.霧度。表示薄膜散射光線的能力。以CdTe電池為例，為避免光學損失，要求TCO霧度低于2%，即要求TCO薄膜表面平整度要非常高，粗糙度要低。
4.激光刻蝕性能。為了克服薄膜材料的不均勻性問題，減少橫向電流損失，薄膜太陽能電池會將大面積薄膜用激光刻畫成若干電池條，單個電池條寬度一般小于10mm，通過內部電路連接制成大面積光伏組件。要求TCO膜層的激光刻蝕性能好，不得有薄膜刻不斷，或刻傷玻璃本體等缺陷。
5.高溫穩定性。CdTe電池制作過程中，需要經歷530°C以上高溫過程，因此要求TCO玻璃要有很好的高溫穩定性。在加熱過程中，薄膜的化學成分、光伏透射比、方塊電阻都不能有明顯變化。為此，TCO玻璃在導電層跟玻璃基體之間設有阻擋層，防止玻璃基體中的鈉離子溢出，使導電層功能劣化。另外，在加熱時，玻璃不得產生明顯機械變形，否則會影響光伏吸收層鍍膜的均勻性，及激光刻線的穩定性。
6.大面積均勻性。光伏透射比和方塊電阻的均勻性是保障電池輸出電壓、電流平衡穩定的基本要求，從而保證大面積組件高的轉換效率。建筑光伏一體化（BIPV）是薄膜太陽能電池的重要應用場合，對顏色均勻性提出更高要求，不得有干涉條紋、膜層云朵等缺陷。
7.低成本。光伏產品最終的競爭力評價以單位發電量的綜合成本來衡量，比如現在晶硅電池組件售價在2元/瓦左右，薄膜電池要跟晶硅電池形成競爭，成本必須不高于晶硅電池。而TCO玻璃是薄膜電池原材料成本中最高的部分，因此必須降低TCO玻璃的制造成本。
經過多年技術發展，氟摻雜氧化錫薄膜（F- doped Tin Oxide）成為符合以上各方面條件、性價比最優的選擇，其化學式為SnO?:F，簡稱FTO。因此現在薄膜太陽能電池領域一般講的TCO玻璃實際上就是指FTO玻璃。目前TCO玻璃的性能瓶頸，也就是技術難點主要表現在：TCO表面織構的調控；電荷輸運特性與電池器件能帶結構的適配性；大面積鍍膜的均勻性。
TCO玻璃的制備技術
常見的薄膜沉積技術，如化學氣相沉積、磁控濺射、溶膠凝膠、真空蒸發、分子束外延等常，都可用于制備SnO?薄膜，能滿足薄膜太陽能電池用TCO玻璃的需求。其中常壓化學氣相沉積（APCVD）無需真空環境，設備簡單，可以與浮法玻璃工藝兼容，具有生產效率高、能耗低、生產成本低、耐候性好等優勢，成為生產TCO透明導電玻璃的主流方法。
從TCO玻璃的技術層次和市場規模上看，NSG在世界范圍內仍具有一定壟斷地位，不過國內的中國玻璃控股有限公司、艾杰旭特種玻璃（大連）有限公司（AGC旭硝子）、金晶（集團）有限公司等企業也都具備生產TCO玻璃的能力，市場規模主要是受下游薄膜電池產業的影響未能擴大，但在技術水平上跟NSG并沒有明顯差距。
跟其他技術來源不同，中國玻璃控股有限公司的技術完全是自主開發成功的。公司長期穩定從事浮法在線鍍膜玻璃的研發工作與生產應用，針對世界三大浮法玻璃生產技術之一的中國“洛陽浮法”工藝特點，原創性地提出在退火窯內制備氧化物功能薄膜的技術路線，歷經十余年攻關，一舉解決錫槽內制備鍍膜玻璃干擾成形工藝、現有生產線技改難度大、投資高、受國外專利限制等問題，打破國際上對浮法退火窯不適合作為鍍膜工藝區間的論斷，形成了擁有自主知識產權的成套技術體系，實現了中國特色功能鍍膜玻璃產業化技術和關鍵裝備的重大突破，開發出在線低輻射鍍膜玻璃（在線Low-E）、TCO玻璃等系列產品，相關成果獲得2020年度國家技術發明獎二等獎。其主要技術特色如下：
1.通過強化薄流層氣相反應過程的爆發性形核，實現SnO?基微納結構氧化物功能薄膜的高效制備，薄膜沉積速率高，可調節范圍寬，與浮法生產線兼容匹配能力強，適應薄板TCO玻璃的生產需求。
2.利用浮法在線原位摻雜和多層復合調控技術，解決了膜層干涉著色的技術難題，TCO膜層顏色均勻性、一致性好，有利于發揮薄膜太陽能電池色澤柔和、美觀大方的特點，適合BIPV應用。
3.TCO的阻擋層在錫槽內沉積，導電功能層在退火窯A0區沉積，并設有成套的鍍膜環境調節保障措施，利用錫槽和退火窯的氣氛環境，分區鍍膜，工藝過程穩定易控。
4.鍍膜裝備為線性多進多排結構，模塊化設計、組裝，鍍膜效率高，操作維護方便，對生產線影響小，建設成本低。
5.配有獨特的鍍膜主原料冷凝回收與廢氣處理技術，實現環保綠色生產，通過回收再生，主原料利綜合利用率達80%以上，生產運行成本低。
6.鍍膜參數自動控制，TCO薄膜光學參數熱端、冷端實時檢測，實現閉環自洽，充分利用最新智能生產技術，生產過程穩定可靠，鍍膜率高、周期穩定。
需求應用
目前，薄膜電池主要的應用領域有碲化鎘、BIPV、鈣鈦礦及異質結。目前，BIPV及鈣鈦礦是主要的增量。碲化鎘薄膜主要是FISRT SOLAR在生產，國內除了龍焱和中建材外，生產廠家較少。
1.鈣鈦礦
鈣鈦礦電池是一類使用具有鈣鈦礦晶體結構的ABX3型鹵化物材料作為吸收層的太陽電池的總成。
鈣鈦礦電池主要包括：（1）透明電極（TCO），接收從電池中傳輸的電子或者空穴；（2）電子傳輸層（ETL），完成電子傳輸的同時，阻隔空穴向陰極傳輸；（3）光吸收層，吸收光子生成載流子；（4）空穴傳輸層（HTL），完成空穴的傳輸同時阻止電子向陽極傳輸；（5）金屬電極，用于接收電子或空穴的電極結構。
國內廠商在該領域做積極的產業化嘗試，現已規劃多條GW級產能。鈣鈦礦電池技術路線潛力大，國內廠商積極尋求產業化突破。當前鈣鈦礦在產產能約390MW，多為小、中試線，協鑫光電、纖納光電、極電光能等多家企業均規劃了GW級產能建設，遠期規劃總和近25GW。
單位用量方面，昆山協鑫光電2023年4月17日宣布2m*1m大面積、大尺寸商用鈣鈦礦組件轉換效率達16.2%，2023年效率目標為18%，考慮鈣鈦礦產業當前仍處在穩定性、量產效率技術攻關階段，中性假設2023、2025年全行業量產平均效率水平為13.0%、17.0%，對應TCO玻璃單位用量分別為769、588萬平/GW，TCO玻璃在鈣鈦礦成本占比35-40%，目前市場單價55-70元/㎡，對應單GW產值3.5億以上。
另外，鈣鈦礦前板需要TCO玻璃，背板為普通玻璃，生產1GW的鈣鈦礦電池，需要約711萬平米FTO玻璃。國內供貨商僅有大連艾潔旭和金晶。價格方面，3.2mmFTO玻璃，艾潔旭2022價格75，金晶報價60左右，利潤率大于50%。
2.碲化鎘
海外龍頭First Solar大幅擴產，國內中建材系等廠商加速布局產能。
（1）海外，美國光伏裝機需求增長、IRA稅收抵免政策刺激下，美國碲化鎘龍頭First Solar大幅擴產，據FS2022年年報，2022年公司名義產能達9.8GW，組件產量9.1GW，規劃2023-2025年末名義薄膜電池產能分別達到16.0/20.1/20.6GW，當前擴產規劃主要針對印度、美國市場。據FS2023年度一季報，公司產品供不應求，未交付預定量已達到71.6GW，4月底訂單已排至2026-2027年交付。另一家美國碲化鎘電池廠商Toledo Solar當前年產能為100MW，2022年9月宣布擴充產能計劃，2027年產能將達2.8GW。
（2）國內，在BIPV應用前景預期下，國內碲化鎘廠商加速產能布局。中建材及其旗下凱盛集團現已運行700MW產能，當前在全國多地規劃產能3.8GW；龍焱能源、中山瑞科在產產能130、100MW，龍焱能源計劃到2024年產能提升至630MW，中山瑞科規劃未來產能達到1GW；光伏玻璃龍頭企業福萊特也于今年2月宣布計劃投資1GW碲化鎘產能。
據廣發投研預計，根據國內外企業產能規劃，預計到2025年海外企業碲化鎘電池產量達20.5GW，國內企業產量2.8GW。
碲化鎘單位需求量，First Solar最新Series7產品效率最高達19.3%，廣發證券做中性假設2022年全行業平均效率水平為18.0%，2025年達19.5%，對應TCO玻璃單位用量分別為556、513萬平/GW。
文章來源： 中國建材報，未來智庫，建筑玻璃與工業玻
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551376.html
來源：賢集網
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從晶硅到薄膜電池，光伏玻璃重要性顯著提升，成本占比上升至1/3。晶硅太陽能電 池中，晶硅可以直接充當襯底基板，大部分情況下晶硅光伏玻璃僅作為封裝材料， 除了對其可見光透過率和外觀、尺寸有要求外，并無其它特別要求，按23年4月最新 報價，182單玻/雙玻組件中玻璃成本約占8%/11%。而在薄膜太陽能電池中，TCO鍍 膜玻璃（屬于薄膜光伏玻璃）直接充當電池組件的襯底基板，直接影響電池發電性 能，對其平整度、透光率、導電性及鍍膜工藝等要求也較高，其成本一般占薄膜太陽 能電池組件成本的33%左右，是薄膜太陽能電池的核心部件。以協鑫光電100MW級 別鈣鈦礦組件的量產成本構成為例，玻璃及其他封裝材料占比達到34%，成為成本 占比最大部分。
薄膜太陽能電池對TCO玻璃有哪些要求？
TCO玻璃是薄膜電池的前電極，也是電池的支撐材料和窗口材料，主要用于碲化鎘（CdTe）電池和鈣鈦礦電池。在功能上，TCO玻璃一是為電池的多層膜材料結構提供物理上的機械支撐；二是讓太陽光透過，并被光伏材料吸收轉換為電能；三是作為電極材料成為光伏器件的基本組成單元。對TCO的性能要求，主要有以下幾方面：
1.光伏透射比。即在太陽能電池光譜響應范圍內的太陽光透射比，對薄膜電池來說，一般是指300~1000nm波段，這一點跟普通建筑玻璃有所不同，一般建筑玻璃關心的是可見光波段，即380~780nm，兩者在測試方法和適用標準上都不相同。TCO玻璃應讓盡可能多的太陽光透過，一般要求光伏透射比至少在82%以上。
2.電導率。一般用方塊電阻來表示。方塊電阻越低，表示導電性越強，意味著電阻損失越小，因此電池要求電阻盡可能小。一般TCO玻璃要求方塊電阻要小于12Ω/□。
3.霧度。表示薄膜散射光線的能力。以CdTe電池為例，為避免光學損失，要求TCO霧度低于2%，即要求TCO薄膜表面平整度要非常高，粗糙度要低。
4.激光刻蝕性能。為了克服薄膜材料的不均勻性問題，減少橫向電流損失，薄膜太陽能電池會將大面積薄膜用激光刻畫成若干電池條，單個電池條寬度一般小于10mm，通過內部電路連接制成大面積光伏組件。要求TCO膜層的激光刻蝕性能好，不得有薄膜刻不斷，或刻傷玻璃本體等缺陷。
5.高溫穩定性。CdTe電池制作過程中，需要經歷530°C以上高溫過程，因此要求TCO玻璃要有很好的高溫穩定性。在加熱過程中，薄膜的化學成分、光伏透射比、方塊電阻都不能有明顯變化。為此，TCO玻璃在導電層跟玻璃基體之間設有阻擋層，防止玻璃基體中的鈉離子溢出，使導電層功能劣化。另外，在加熱時，玻璃不得產生明顯機械變形，否則會影響光伏吸收層鍍膜的均勻性，及激光刻線的穩定性。
6.大面積均勻性。光伏透射比和方塊電阻的均勻性是保障電池輸出電壓、電流平衡穩定的基本要求，從而保證大面積組件高的轉換效率。建筑光伏一體化（BIPV）是薄膜太陽能電池的重要應用場合，對顏色均勻性提出更高要求，不得有干涉條紋、膜層云朵等缺陷。
7.低成本。光伏產品最終的競爭力評價以單位發電量的綜合成本來衡量，比如現在晶硅電池組件售價在2元/瓦左右，薄膜電池要跟晶硅電池形成競爭，成本必須不高于晶硅電池。而TCO玻璃是薄膜電池原材料成本中最高的部分，因此必須降低TCO玻璃的制造成本。
經過多年技術發展，氟摻雜氧化錫薄膜（F- doped Tin Oxide）成為符合以上各方面條件、性價比最優的選擇，其化學式為SnO?:F，簡稱FTO。因此現在薄膜太陽能電池領域一般講的TCO玻璃實際上就是指FTO玻璃。目前TCO玻璃的性能瓶頸，也就是技術難點主要表現在：TCO表面織構的調控；電荷輸運特性與電池器件能帶結構的適配性；大面積鍍膜的均勻性。
TCO玻璃的制備技術
常見的薄膜沉積技術，如化學氣相沉積、磁控濺射、溶膠凝膠、真空蒸發、分子束外延等常，都可用于制備SnO?薄膜，能滿足薄膜太陽能電池用TCO玻璃的需求。其中常壓化學氣相沉積（APCVD）無需真空環境，設備簡單，可以與浮法玻璃工藝兼容，具有生產效率高、能耗低、生產成本低、耐候性好等優勢，成為生產TCO透明導電玻璃的主流方法。
從TCO玻璃的技術層次和市場規模上看，NSG在世界范圍內仍具有一定壟斷地位，不過國內的中國玻璃控股有限公司、艾杰旭特種玻璃（大連）有限公司（AGC旭硝子）、金晶（集團）有限公司等企業也都具備生產TCO玻璃的能力，市場規模主要是受下游薄膜電池產業的影響未能擴大，但在技術水平上跟NSG并沒有明顯差距。
跟其他技術來源不同，中國玻璃控股有限公司的技術完全是自主開發成功的。公司長期穩定從事浮法在線鍍膜玻璃的研發工作與生產應用，針對世界三大浮法玻璃生產技術之一的中國“洛陽浮法”工藝特點，原創性地提出在退火窯內制備氧化物功能薄膜的技術路線，歷經十余年攻關，一舉解決錫槽內制備鍍膜玻璃干擾成形工藝、現有生產線技改難度大、投資高、受國外專利限制等問題，打破國際上對浮法退火窯不適合作為鍍膜工藝區間的論斷，形成了擁有自主知識產權的成套技術體系，實現了中國特色功能鍍膜玻璃產業化技術和關鍵裝備的重大突破，開發出在線低輻射鍍膜玻璃（在線Low-E）、TCO玻璃等系列產品，相關成果獲得2020年度國家技術發明獎二等獎。其主要技術特色如下：
1.通過強化薄流層氣相反應過程的爆發性形核，實現SnO?基微納結構氧化物功能薄膜的高效制備，薄膜沉積速率高，可調節范圍寬，與浮法生產線兼容匹配能力強，適應薄板TCO玻璃的生產需求。
2.利用浮法在線原位摻雜和多層復合調控技術，解決了膜層干涉著色的技術難題，TCO膜層顏色均勻性、一致性好，有利于發揮薄膜太陽能電池色澤柔和、美觀大方的特點，適合BIPV應用。
3.TCO的阻擋層在錫槽內沉積，導電功能層在退火窯A0區沉積，并設有成套的鍍膜環境調節保障措施，利用錫槽和退火窯的氣氛環境，分區鍍膜，工藝過程穩定易控。
4.鍍膜裝備為線性多進多排結構，模塊化設計、組裝，鍍膜效率高，操作維護方便，對生產線影響小，建設成本低。
5.配有獨特的鍍膜主原料冷凝回收與廢氣處理技術，實現環保綠色生產，通過回收再生，主原料利綜合利用率達80%以上，生產運行成本低。
6.鍍膜參數自動控制，TCO薄膜光學參數熱端、冷端實時檢測，實現閉環自洽，充分利用最新智能生產技術，生產過程穩定可靠，鍍膜率高、周期穩定。
需求應用
目前，薄膜電池主要的應用領域有碲化鎘、BIPV、鈣鈦礦及異質結。目前，BIPV及鈣鈦礦是主要的增量。碲化鎘薄膜主要是FISRT SOLAR在生產，國內除了龍焱和中建材外，生產廠家較少。
1.鈣鈦礦
鈣鈦礦電池是一類使用具有鈣鈦礦晶體結構的ABX3型鹵化物材料作為吸收層的太陽電池的總成。
鈣鈦礦電池主要包括：（1）透明電極（TCO），接收從電池中傳輸的電子或者空穴；（2）電子傳輸層（ETL），完成電子傳輸的同時，阻隔空穴向陰極傳輸；（3）光吸收層，吸收光子生成載流子；（4）空穴傳輸層（HTL），完成空穴的傳輸同時阻止電子向陽極傳輸；（5）金屬電極，用于接收電子或空穴的電極結構。
國內廠商在該領域做積極的產業化嘗試，現已規劃多條GW級產能。鈣鈦礦電池技術路線潛力大，國內廠商積極尋求產業化突破。當前鈣鈦礦在產產能約390MW，多為小、中試線，協鑫光電、纖納光電、極電光能等多家企業均規劃了GW級產能建設，遠期規劃總和近25GW。
單位用量方面，昆山協鑫光電2023年4月17日宣布2m*1m大面積、大尺寸商用鈣鈦礦組件轉換效率達16.2%，2023年效率目標為18%，考慮鈣鈦礦產業當前仍處在穩定性、量產效率技術攻關階段，中性假設2023、2025年全行業量產平均效率水平為13.0%、17.0%，對應TCO玻璃單位用量分別為769、588萬平/GW，TCO玻璃在鈣鈦礦成本占比35-40%，目前市場單價55-70元/㎡，對應單GW產值3.5億以上。
另外，鈣鈦礦前板需要TCO玻璃，背板為普通玻璃，生產1GW的鈣鈦礦電池，需要約711萬平米FTO玻璃。國內供貨商僅有大連艾潔旭和金晶。價格方面，3.2mmFTO玻璃，艾潔旭2022價格75，金晶報價60左右，利潤率大于50%。
2.碲化鎘
海外龍頭First Solar大幅擴產，國內中建材系等廠商加速布局產能。
（1）海外，美國光伏裝機需求增長、IRA稅收抵免政策刺激下，美國碲化鎘龍頭First Solar大幅擴產，據FS2022年年報，2022年公司名義產能達9.8GW，組件產量9.1GW，規劃2023-2025年末名義薄膜電池產能分別達到16.0/20.1/20.6GW，當前擴產規劃主要針對印度、美國市場。據FS2023年度一季報，公司產品供不應求，未交付預定量已達到71.6GW，4月底訂單已排至2026-2027年交付。另一家美國碲化鎘電池廠商Toledo Solar當前年產能為100MW，2022年9月宣布擴充產能計劃，2027年產能將達2.8GW。
（2）國內，在BIPV應用前景預期下，國內碲化鎘廠商加速產能布局。中建材及其旗下凱盛集團現已運行700MW產能，當前在全國多地規劃產能3.8GW；龍焱能源、中山瑞科在產產能130、100MW，龍焱能源計劃到2024年產能提升至630MW，中山瑞科規劃未來產能達到1GW；光伏玻璃龍頭企業福萊特也于今年2月宣布計劃投資1GW碲化鎘產能。
據廣發投研預計，根據國內外企業產能規劃，預計到2025年海外企業碲化鎘電池產量達20.5GW，國內企業產量2.8GW。
碲化鎘單位需求量，First Solar最新Series7產品效率最高達19.3%，廣發證券做中性假設2022年全行業平均效率水平為18.0%，2025年達19.5%，對應TCO玻璃單位用量分別為556、513萬平/GW。
文章來源： 中國建材報，未來智庫，建筑玻璃與工業玻
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來源：賢集網
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