科技创新支撑发电玻璃全产业链体系建设研究
创造单位：凯盛科技集团有限公司
参与创造人：张健 汤李炜 刘翼 李德恩 徐根保 潘锦功 傅干华 官敏
摘要：凯盛科技集团有限公司坚定不移践行中国建材集团战略文化，坚定不移落实玻璃新材料“3+1”战略布局。按照中国建材集团以“碳达峰”“碳中和”引领绿色发展、全面提高资源能源利用效率、推动业务板块低碳转型的“十四五”战略规划，凯盛科技集团聚焦玻璃主业，通过引进消化吸收再创新，完全掌握全球技术领先的两种薄膜光伏发电玻璃技术，在国内建成铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）发电玻璃生产基地。发电玻璃是一种双玻材料，拥有良好的建筑建材属性，其弱光发电、低温度系数、抗热斑效应、色彩均匀、尺寸可调等特性，决定其更适用于光伏建筑一体化。在双碳目标下，零碳绿色建筑是实现碳中和的重要路径。凯盛科技集团以发电玻璃为核心，面向建筑光伏一体化，打造了从实验室研发、原材料提纯与制备、关键设备设计制造、工程设计建造及应用研究、设计施工等全产业链体系。
企业简介:凯盛科技集团有限公司（以下简称凯盛科技集团）是以中建材蚌埠玻璃工业设计研究院为核心在北京成立的科技型企业集团，隶属于中国建材集团有限公司。凯盛科技集团作为中国建材集团新材料板块重要的创新与产业平台，遵循“战略清晰、主业突出”原则，心怀“国之大者”，近年来围绕产业链部署创新链，围绕创新链布局产业链，确定了玻璃新材料“3+1”战略布局，打造“显示材料+应用材料”、“新能源材料”、“优质浮法玻璃+特种玻璃”3大上市公司平台，开展显示材料、新能源材料、优质浮法玻璃及特种玻璃等相关产品和硅基、锆基相关应用材料的研发、制造、销售与技术服务。凯盛科技集团拥有国家级科研院所4家，海外研究中心2家，浮法玻璃新技术国家重点实验室等国家级创新平台17个，中国工程院院士1名。截至2020年末，凯盛科技集团共有法人企业90家，境外子企业6家，控股上市公司2家，完成营业收入近200亿元，利润总额超10亿元。在中国建材集团战略引领下，凯盛科技集团将全力落地玻璃新材料“3+1”战略布局，聚力打造收入超千亿、利润破百亿的世界一流玻璃新材料高科技企业集团，引领中国玻璃领跑世界！
一、科技创新支撑发电玻璃全产业链体系建设研究实施背景
（一）服务国家战略需要
中国的气候行动一直备受国际关注。长期以来，我国经济取得快速发展，同时高度重视气候变化问题。如图1所示，我国单位GDP碳排放量（二氧化碳排放量/美元，即每1美元GDP所排放的二氧化碳），在1984-1992年达到峰值，最高排放量约在0.006吨/美元。2000年以后，我国加入世贸组织，GDP增速明显提高，单位碳排放量在2004年开始迅速降低，至今仍保持一定降低速度。2019年我国二氧化碳排放总量占全球排放总量的28.8%，单位GDP碳排放量为0.00069吨/美元，接近美国的3倍。我国当前经济增量对于碳排放增量的依赖仍然处于较高位置。
图1 我国GDP增长与碳排放量
2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论中提出，中国的碳排放要力争在“2030年前达到峰值” “2060年前实现碳中和”目标。我国主动提出加强国家自主贡献以及碳中和目标，是对国际社会关注的积极回应，是中国在《巴黎协定》下具有里程碑意义的减排目标，表明中国坚决维护《巴黎协定》、积极进行气候治理的决心。面对百年未有之大变局，习近平主席明确向世界表态：中国将以新发展理念为引领，在推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型，脚踏实地落实2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标，为全球应对气候变化作出更大贡献。
截至2020年底，全球共有 44个国家和经济体正式宣布了碳中和目标。
表1 全球已规划碳中和的部分国家和地区情况
碳中和是一场绿色革命，将构建全新的零碳产业体系——如果没有颠覆性、变革性技术突破，不可能实现碳中和。在2021年9月21日的七十六届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平在发言中表示，中国将大力支持发展中国家绿色低碳能源发展，不再新建境外煤电项目。未来能源变革将呈现“五化”：从能源供给侧看，是电力零碳化、燃料零碳化；从能源需求侧看，能源利用高效化、再电气化、智慧化。最终使我国建成以新能源为主体，“化石能源+二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）”和核能为保障的未来清洁零碳、安全高效能源体系。
要实现电力脱碳与零碳化，核心是构建以新能源为主体的新型电力系统。构建以新能源为主体的新型电力系统是一项重大变革，德国的经验值得借鉴。德国先后宣布 2022 年弃核和 2038 年弃煤，2050 年构建全部 100% 采用可再生能源的用能体系。德国在推进可再生能源发展中立法先行，建立起遍布全国的分布式光伏发电、风电、生物质发电及储能机组；通过基于大数据的电力供给侧和需求侧的预测与管理，以及基于互联网的电力交易和服务平台，有效促进可再生能源消纳，提高电网的供需平衡。
多年来，凯盛科技集团坚持创新驱动战略，成功开发出光伏玻璃核心技术和成套装备、碲化镉发电玻璃和铜铟镓硒发电玻璃，结合大数据、云平台、智能化管理等先进技术，不断创新发电玻璃应用场景，积极服务国防建设、重大工程以及地方经济发展，实现了材料—装备—产业—应用的全创新链发展。
（二）企业高质量发展的必然选择
建筑行业节能减排是实现碳达峰、碳中和的重要一环。根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》，2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨，占全国碳排放比重最高，达51.3%。其中，建材生产阶段占比28.3%，建筑运行阶段占比21.9%，如图2所示。建筑领域的减碳行动，已成为我国实现碳达峰、碳中和目标的关键一环。
图2 2018年全国建筑全过程碳排放总量
未来建筑的发展方向是节能低碳，建筑光伏一体化是零能耗被动式建筑的必由之路。建筑物屋顶、墙体能够发电，建筑物的能耗能够通过自身生产的清洁能源相抵消，甚至多于建筑物的能耗。
大力推进建筑光伏一体化，可以不断优化能源供给和消费结构、适应低碳发展需求。凯盛科技集团以发电玻璃技术为核心，开展辐射相关上下游产业链的研发和产业布局，建成了创新链和产业链有效融合的科技成果转化体系，促进了凯盛科技集团围绕主业高质量发展，开展以零碳建筑为核心的分布式光伏业务，为我国“2030年碳达峰”、“2060年碳中和”战略目标的实现贡献力量。
二、科技创新支撑发电玻璃全产业链体系建设研究内涵和主要做法
党的十九届四中全会强调提升产业基础能力和产业链现代化水平，党的十九届五中全会进一步强调推进产业基础高级化、产业链现代化。自创新驱动发展战略（2012）实施以来，我国经济增长逐渐从“要素驱动”“投资驱动”向“创新驱动”转变。2016年5月，习近平在全国科技创新大会上指出：“创新是一个系统工程，创新链、产业链 、资金链、政策链相互交织、相互支撑”，首次提出“创新链、 产业链、资金链、政策链融合发展”的命题，要求 “围绕产业链部署创新链 ，围绕创新链完善资金链， 通过政策链实现系统融合和统筹协调”。 创新链、产业链、金融链、政策链的融合发展将有力提升我国产业基础能力和产业链现代化水平。
绿色建筑是低碳减排的重要抓手，绿色材料是绿色建筑的引领支持。凯盛科技集团聚焦玻璃主业，始终把创新发展摆在突出位置，采用技术领先战略，开发具有高附加值、不易复制的发电玻璃技术，以产业需求整合创新要素、以集成创新驱动技术领先、以整合资源实现产业带动，以双链（创新链、产业链）融合促进协同发展。
发电玻璃是凯盛科技集团重点发展的产业，因其门槛高、产品技术含量高，并且可以带动一批上下游玻璃产业发展，蕴含巨大的发展空间。近年来，凯盛科技集团在发电玻璃产业链上，围绕创新链进行了多点式线性布局，先后研发出发电玻璃用超白压延玻璃、超白浮法玻璃、高应变点浮法玻璃、镀钼背电极玻璃等，发电玻璃已成为凯盛新能源材料产业链、创新链的“链主”。从全产业链、创新链全过程看，凯盛科技集团基板玻璃生产企业有安徽华光光电材料科技集团；盖板玻璃企业有中建材（合肥）新能源、中建材（桐城）新能源、中建材（宜兴）新能源；镀钼背电极玻璃生产企业有蚌埠兴科玻璃；发电玻璃生产企业分别有凯盛光伏材料有限公司、成都中建材光电材料有限公司等，在下游应用端有工程服务商中国建材国际工程集团有限公司等。
凯盛科技集团组织国内外专家围绕发电玻璃产业化开展创新研究，针对工业化量产需求，开发配套装备、智能制造等产业化核心要素，延伸上下游产业链，从而保证发电玻璃技术和产品的领先优势，确保发电玻璃具有广阔的市场前景。
（一）加强创新研发平台搭建
凯盛科技集团拥有国家级科研院所 4 家，海外研究中心 2 家，国家级创新平台17个，省部级创新平台43个。2010年获批建设浮法玻璃新技术国家重点实验室。通过兼并重组，凯盛科技集团2011年收购德国CTF Solar公司、2014年收购浚鑫科技、2014年收购德国AVANCIS公司，完成了在CdTe、晶硅组件和CIGS发电玻璃的研发、技术转化布局。研发中心分设在德国慕尼黑、德累斯顿、美国新泽西理工大学和浮法玻璃新技术国家重点实验室。
通过产学研合作方式，联合知名高校院所、行业优势企业进行科技攻关，合作创新。联合美国新泽西理工大学、清华大学、北京大学等国内外多个高等院校建立了研发机构，合作突破关键技术。
图3 凯盛科技集团发电玻璃研发平台与产业化布局
凯盛科技集团紧紧围绕产业链开展产学研合作创新和引进消化吸收再创新。经过十余年持续研发创新，凯盛科技集团已成为全球唯一一家掌握CIGS和CdTe两种发电玻璃技术的企业，打通了集研发、设计、工程总承包、智能制造、产品应用为一体的上下游全产业链，引领着我国薄膜光伏和玻璃行业的技术创新和产业升级。
同时，凯盛科技集团已拥有稀散金属提纯、基板玻璃制备、芯片制备、盖板玻璃制备等成套CIGS和CdTe发电玻璃关键技术。30×30cm2的CIGS发电玻璃转换效率19.8%，再次打破世界纪录，CdTe发电玻璃实验室转换效率达20.2%，大面积组件效率突破15.8%。
（二）推进创新人才队伍建设
凯盛科技集团多年来，按照“研发+产业化”的发展战略，科学制订“引进领军式人才，借用紧缺人才，招聘专业人才，培养核心人才，激励岗位人才”的人才配置策略，围绕“引才、留才、育才、用才”四个核心要素，建成了经营管理人才、科技研发人才、国际化人才、技能人才等结构合理的人才队伍，为企业的快速发展和保持行业的领军地位提供了坚实的人才保证。
引进多名高层次人才，建成了由首席科学家制度，通过高薪聘请、企业并购等方式，引进德国慕尼黑研发中心包括40多位博士在内的研发团队进行发电玻璃技术开发。在技术人才方面，研发中心向产业化公司（如凯盛光伏、成都中建材等）输出专业人员，指导项目公司的产业化运作。通过技术开发和产业化过程的轮岗培养，调动和激发了人才的积极性和创造性，拓宽专业技术人才的知识面，通过产业化实践，提高了专业技术能力。首席科学家带领研发团队，开展共性技术、关键技术应用基础研究以及核心装备、生产控制系统等成套装备的研究开发，并且参与成果转化的各个环节。
同时，加大管理经营人才、紧缺专业技术人才、核心领域技术团队引才力度，组成了高层次人才梯队，制定项目研究计划和实施方案。
（三）建立健全激励机制
凯盛科技集团按照《关于开展对标世界一流管理提升行动的通知》、《国企改革三年行动方案(2020-2022年)》的工作要求，实施薪酬福利待遇改革，突出关键、核心岗位薪酬的竞争力，建立收入与企业经济效益和本人工作业绩挂钩的分配制度，充分利用中国建材集团5类8种激励“工具箱”，充分激发企业发展活力，调动骨干员工积极性，实现企业发展成果共享。如为员工设立了股权分红机制、企业年金、补充医疗保险等激励及福利项目，出台政策鼓励技术创新，所创造的技术、管理成果或专利在收入分配上充分体现。具体做法有：
完善科技成果奖励制度。建立成套科技创新成果评价激励机制，以科技成果的产业化率、成果质量、数量、知识产权申请数量等为标准进行奖励，制定了《科技成果转化奖励办法》《科技成果评价办法》等，并建立了从岗位激励、薪酬福利激励、事业激励、职业生涯通道激励结合的人才激励模式，充分调动了广大员工积极性。
实施股权激励机制。对科技创新和科技成果产业化过程中发挥重要作用的主要技术负责人和中高级管理层进行股权奖励，根据贡献的大小实施相应比例的股权奖励。
实施特殊贡献奖励。对研究开发、技术攻关、产业化、企业管理创新等方面做出突出贡献的员工实施特殊贡献奖励，进行物质奖励和精神激励相结合的激励方式。
（四）创新积累核心技术
1. 攻克高应变点基板玻璃技术
现有普通浮法玻璃应变点低（<500oC），难以满足碲化镉发电玻璃碲化镉成膜过程中所需的高温（>550oC）工艺需求。凯盛科技集团通过重点研究原料粒度对熔窑熔化部玻璃液循环流、混合均化效果的影响规律，设计了浮法工艺高应变点玻璃新组成，建立了锥形粒度分布原料新粒度体系、开发了多温区耦合澄清技术和窑内玻璃液循环流分区协同调控技术，形成了高应变点玻璃的高品质熔制工艺，产品性能国际先进。基板玻璃与国外产品技术指标对比如表2所示。
表2 与国外产品技术指标对比表
|
项目 |
SP Planilux（法国圣戈班） |
凯盛科技集团项目成果 |
|
密度g/cm3 |
2.5 |
2.5 |
|
表面张力mN/m |
280 |
360 |
|
应变点温度℃ |
529 |
580 |
|
Tlog2熔化温度℃ |
1433 |
1523 |
|
Tlog3.5（成型温度）℃ |
1111 |
1241 |
2.开发薄膜均匀沉积系统
为了解决磁控溅射镀膜的均匀性，CIGS发电玻璃生产线在国内进行工程转换过程中，针对磁控溅射的磁场和气场的分布进行了二次开发。分别设计了11个磁场调节点和6个溅射气体喷嘴，保证横向宽度2.73m范围内4块CIGS组件同时镀膜的均匀性。同时，针对大尺寸玻璃上镀膜的边缘效应，特别增强了边缘磁场。最终在优化的磁场和气场的条件下，采用磁控溅射制备的预制层、高阻层以及前电极层横向均匀性，相比德国AVANCIS产线得到显著提高；高阻层i-ZnO膜厚控制在3.8%；前电极AZO薄膜膜膜厚控制在1.3%。
CdTe发电玻璃膜厚均匀性与玻璃基板温度均匀性和蒸汽输运的均匀性密切相关。因此，除了需要解决玻璃基板温度均匀性，还需要对蒸发源进行特殊设计并研究蒸发源温度设置对薄膜均匀性的影响。为了保证大面积硫化镉/碲化镉膜层的均匀性，凯盛科技集团技术团队通过复杂的三维温场模拟，将TCO玻璃基板的横向温度控制精度达到±3K，纵向温度控制精度达到±5K以内，保证了CdS和CdTe薄膜在基板玻璃上的生长均匀。采用多区控温，使得整个蒸发舟系统内部的温场控制精度在一定精度之内，同时针对两侧靠腔体内壁过冷的情况，单独进行温度补偿，保证了气相物质的升华的均匀。针对基板玻璃边缘易受边缘效应影响的问题，本项目做出了针对性的优化，增加了边缘位置的蒸发量，提高了边缘的气相物质分布量，解决了边缘易出现膜厚较薄的问题。
3.掌握表面、界面缺陷控制方法
为了修复CIGS发电玻璃PN结界面缺陷，凯盛科技集团工程技术团队采用干法制备InxSy时引入碱金属Na，用以钝化CIGS表面的施主缺陷，以及铜空位和硒空位缺陷，抑制薄膜中的有序缺陷化合物的形成，提高薄膜中空穴的浓度，降低费米能级，进而抑制吸收层界面处的载流子复合。同时，Na元素可以有效增加InxSy的禁带宽度，从2eV提升到2.8eV，有效减弱缓冲层对短波段太阳光的吸收。同时，采用更宽带隙的掺Mg的氧化锌(ZnMgO)替代i-ZnO层，一方面，通过控制Mg的掺杂含量，可将ZnMgO禁带宽度扩展到3.67eV；另一方面，在缓冲层与高阻层之间形成一个势垒尖峰，阻碍光生载流子的复合。采用InxSy：Na缓冲层、ZnMgO窗口层和宽带隙的CIGS电池转换效率明显提升。
CdTe发电玻璃的核心结构是CdS与CdTe之间形成的异质PN结。由于CdS和CdTe两种半导体材料的带隙22Eg不同，且CdS与CdTe晶体结构不同，CdS与CdTe之间会存在晶格失配，造成CdS/CdTe界面产生大量缺陷，形成很多复合中心，影响产品的电学性能。凯盛工程技术团队与CTF公司研发人员协同，通过均匀的氯化镉涂覆和合理的退火处理实现CdS/CdTe界面的优化，降低缺陷数量，增加晶粒尺寸，此外为了大面积CdS/CdTe产品的要求，开发了大面积CdCl2辊涂设备，通过精确控制CdCl2溶液的浓涂覆量，能够均匀的在1.92 m2的碲化镉太阳能电池伤涂覆一层厚度均匀性>95%的CdCl2层，同时也解决了传统喷雾法均匀性较差，原料利用率较低，危险原料易泄露的问题。针对大面积薄膜表面容易出现各种缺陷的问题，开发了一种填充技术及设备，在1.92m2的碲化镉玻璃上均匀的涂覆一层特殊材料，经烘干和辐射处理后，有效的解决了成膜缺陷。
（五）抓住机会弯道超车
光伏产业属于战略性新兴产业，发展光伏产业对于调整能源结构、推进能源生产和促进生态文明建设具有重要的意义。
光伏产业同时也是一个兼具成长性、变化性和周期性的产业。这一产业诞生至今已经经历了三次重要的“洗牌期”：2008年金融危机、2011—2012年“欧美双反”、2018年“531新政”，这三次事件给光伏产业带来了一定的打击。光伏产业经历了产业衰退期后，整个行业的企业几乎都遭到重创。
随着晶体硅太阳能电池原材料短缺的不断加剧和价格的不断上涨，发电玻璃产业呈现出蓬勃发展的态势。在所有薄膜技术中，CIGS与CdTe是进一步提高效率和降低成本最具潜力的技术，正是因为其性能优异被国际上称为下一代的廉价太阳能电池，无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场空间。
发电玻璃较传统晶硅组件相比，吸收层所需膜层厚度薄，原材料用量少，成本具有较强竞争力；具有良好的弱光效应，在阴天和早晚等弱光条件下也能发电；可吸收光谱波长范围广，传统晶硅组件只能吸收可见光，而发电玻璃不但能吸收可见光，还能吸收波长在700-1200nm之间的红外光；晶硅组件本质上有光致衰减的特性，使用周期内转换效率逐步衰减，而发电玻璃则没有光致衰减的特性，发电稳定性高；较低的温度系数，在炎热的夏季，工作温度达60℃时，发电玻璃发电量比晶硅组件多10-12%，更适合安装在炎热、干燥的沙漠地带。基于以上特性，发电玻璃与同一瓦数的晶硅组件相比，年综合发电量多10%以上。发电玻璃还具有美观、整体性好、轻量化等优点，可使发电系统实用性与建筑物形态美实现完美结合，更适合于光伏建筑一体化（BIPV）的应用。
发电玻璃目前仍处于发展初期，市场份额远低于晶体硅电池，但未来市场空间巨大，全球光伏发电产业的飞速发展引发了全球多晶硅供应的持续紧缺，严重的制约了晶体硅电池产业的发展，晶体硅电池企业之间的抢料和价格竞争也随之加剧。与晶体硅电池相比，发电玻璃具有原材料充裕、能耗小、理论成本相对低廉的优势。
近几年，美、欧、日等发达经济体均将薄膜太阳能列入战略发展方向，加紧布局技术研发和产业化。《美国国会参考报告》曾刊发的《美国光伏产业：产业趋势、全球竞争和联邦政策》研究报告指出：薄膜太阳能技术具有更大的提升空间，美国应给予政策支持，以保持和提升在该领域的全球竞争力。欧洲30位科学家曾联名发布的《铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池技术白皮书》指出，CIGS 薄膜太阳能技术是光伏大规模应用最具可持续性的解决方案。欧盟聚集全欧洲科学界和产业界力量，出资760万欧元实施 CIGS薄膜电池转换效率提升计划；日本政府大力支持薄膜电池企业Solar Frontier 推进CIGS薄膜电池研发，目前实验室转换效率已达到22.9%。
2011年，凯盛科技集团收购德国CTF公司，经千万次尝试在成都成功建成100兆瓦CdTe量产线；2014年，凯盛科技集团全资收购了Avancis。目前凯盛科技集团拥有蚌埠、韩国、德国三处CIGS量产线（其中产能：蚌埠300MW、韩国100MW、德国120MW）。发电玻璃因此得以在国内逐渐推广开来，在工业建筑、公共建筑、设施农业等多个领域发力，打开了发电玻璃的应用市场，抓住时间实现了发电玻璃在BIPV等多个领域应用的弯道超车。
低碳发展是国家战略，为积极应对全球气候变化，调整能源产业结构，聚焦本国国情和企业优势领域，抓住太阳能产业发展是双碳目标下的主流趋势；同时基于我国建筑耗能和碳排放占终端用能及碳排放比重巨大，凯盛科技集团通过BIPV让建筑参与太阳能发电，建筑和光伏的有机结合是发电玻璃应用推广的重点。中国建筑行业规模位居世界第一，现有城镇总建筑存量约650亿m2，这些建筑在使用过程中排放了约21亿吨二氧化碳，约占中国碳排放总量的20%，也占全球建筑总排放量的20%。此外，中国每年新增建筑面积约20亿m2，相当于全球新增建筑总量（61.3 亿m2）的近1/3。按光伏发电可安装面积为建筑面积的1/6 测算，光伏发电装机容量可达1500GWp，年发电量可达1.5万亿kWh。因此，推广和应用发电玻璃将会有非常广阔的市场前景。
（六）精准发力补齐短板
1. 开发、改进具有自主知识产权的成套装备
碲化镉发电玻璃的制造技术在我国发展较晚，缺失核心技术和成套装备制造技术。凯盛科技集团针对以上问题，开发出具有完全自主知识产权的高度自动化、智能化及信息化的新型绿色碲化镉发电玻璃成套装备技术体系。该成套技术装备已运用于四川成都、河北邯郸、黑龙江佳木斯、湖南株洲等地，产生了良好的经济效益。
CIGS薄膜电池制造涉及24道工序以及120台（套）设备，分别来自10余家供应商，自动化设备占比98%，上下游工艺相互衔接，为了提高生产连续性和设备运转率，规避和解决上下游工艺设备相互衔接不及时性、不稳定性及抗故障性差的问题，采用中央缓存传输系统衔接上下游工艺，建立三层中央缓存传输系统，以衔接26个工艺传输接口，能够缓冲存储基板36000余片，设备故障允许时间长达60小时。在德国AVANCIS产线基础上，凯盛科技集团工程技术团队在多个制造工序上进行工艺设备优化。采用脉冲直流磁控溅射替代射频磁控溅射制备i-ZnO膜层，改善射频溅射沉积速率慢导致的粉尘污染问题；将靶材左右两边屏蔽挡板改为双层结构设计，增加内层屏蔽挡板，同时增加靶材上下两端的屏蔽挡板，有效减少电荷在靶材四周的积累，避免产生电弧损伤。优化后，靶材使用质量得到明显改善，i-ZnO膜层质量和稳定性得到显著提高。为了提高缓冲层加热源的稳定性，分别对加热源的结构和加热丝材料进行了重新设计。增加热源腔壁厚，减少加热源的热量散失，提高加热丝的使用寿命；加热源腔壁内置冷却水，避免了加热源之间的相互干扰，同时减少开腔冷却的等待时间；更换加热丝材料，由钨丝替换为碳合金材料，并重新设计加热丝形状，提高加热丝耐污染、腐蚀的能力，增加稳定性，进而延长了使用寿命；采用导热性和稳定性极好的热解氮化硼（PBN）桶保护加热丝，有效减缓加热丝的老化，同时改善加热均匀性。优化后设备利用率由75.76%提升到86.91%。
2.持续开发适用于BIPV的新产品
为了适应建筑对多样化产品的需求，成都中建材生产技术团队还开发出激光刻蚀和彩膜相结合的技术，研制了一系列透光率可调的彩色碲化镉发电玻璃产品以及碲化镉发电玻璃封装和安装技术，为碲化镉发电玻璃在光伏建筑一体化市场的广泛应用奠定了基础。
凯盛光伏生产技术团队采用盖板玻璃镀膜法，通过表面形貌的改变以及单介质层材料在玻璃基板表面的沉积，通过其厚度大小及化合物结构的变化形成具有不同反射色彩的CIGS发电玻璃。通过彩色夹胶层压法，成功的将彩色PVB薄膜引入CIGS薄膜电池层压封装工艺中，不依赖高压釜，成功实现了PVB夹胶与CIGS组件实现理想的色彩叠加。目前已开发出22种彩色CIGS薄膜电池组件，涵盖蓝色、紫色、金色、绿色等。
图4 彩色CIGS发电玻璃
3.提升原材料国产化比例
为提升发电玻璃产品竞争力，进一步降低成本，凯盛科技集团加快推进原材料国产化开发。根据发电玻璃行业经验及IEC相关国际光伏标准，设计了一整套严谨、科学的物料国产化开发流程，涵盖了从物料供应商搜集筛选到国产物料送样，再从物料上线验证试用到最终评审等整个物料国产化开发导入过程。CIGS发电玻璃成功开发导入了21种原材料，其中17种关键原材料中完成13种国产物料导入，占比76%，尤其是背电极基板玻璃，完成了集团内部供应商的开发，完善产业链的同时，成本减少了一半。部分关键物料降本比例如表3所示。
表3部分关键物料降本比例
|
原材料名称 |
降本比例 |
|
背电极基板玻璃 |
50% |
|
In靶 |
15% |
|
AZO靶材 |
39% |
|
i-ZnO靶材 |
6% |
|
H2S气体 |
30% |
|
背面导轨 |
17% |
|
接线盒 |
14.6% |
|
汇流条 |
23% |
|
层压胶膜 |
30% |
（七）赋能未来做大做强
建筑节能是关系到我国建设低碳经济、完成节能减排目标、保持经济可持续发展的重要环节之一，太阳能是减少化石能源消耗，实现建筑碳达峰碳中和的主要路径之一。为更好的将发电玻璃导入建筑市场，凯盛科技集团成立新能源绿色建筑应用研究院，加强与国内外知名建筑设计院交流。在建筑安全、保温等方面开展创新研究，在标准、规范、图集等方面开展修订、编制，在发电玻璃模组研发方面开展合作开发。
图5 发电玻璃应用研究路线图
房屋建造过程中，建筑节能要重点解决好外墙保温、窗门隔温等问题，很多建筑漏气都出现在这方面。再通过大幅度提升建筑用能系统的效率，利用太阳能等可再生能源做好开源，直接给建筑供能，有效减少化石能源的消耗，减少碳排放。
为此，凯盛科技集团研发出新型绝热发电玻璃模组和结构性防水发电玻璃瓦。新型绝热发电玻璃模组采用薄膜发电玻璃和真空玻璃相结合，可直接用于建筑幕墙和窗体等。结构性防水发电玻璃瓦采用发电玻璃和传统型材相结合，可直接用于建筑屋顶和墙体外围护。新型绝热发电玻璃模组和结构性防水发电玻璃瓦形成的装配式建筑体系具备可更换、可发电、可监控、可维护。安装在屋顶、墙壁等外围护结构的发电玻璃构件，在吸收太阳能转化为电能的同时，能大大降低建筑外围护结构的表面温度，从而减少室内空调冷负荷，进一步降低建筑能耗。同时，BIPV发电系统工作时间与建筑用电高峰时段一致，两者结合可以有效削减建筑用电，尤其是在夏季用电负荷的高峰时段，能缓解公共电网压力。
在发电玻璃电气安全系统方面，凯盛科技集团开展研发适配发电玻璃特性的微型逆变器和功率控制器。将控制层级覆盖每一块发电玻璃单元，做到对每一块发电单元可监控、预警，发生故障后可以立刻将目标发电单元断开。同时，凯盛科技集团加强在建筑直流微电网配电系统的联合开发，以更好的为建筑物提供高质量电能。建筑直流供电便于新能源介入和调配，直流微电网系统可提高电力系统的安全性和可控性。
在应用标准编制方面。2019年以来，蚌埠市制定出台了国内首个《铜铟镓硒薄膜太阳能发电系统产品在市区建设工程推广应用方案》，编制了《铜铟镓硒薄膜太阳能发电系统与建筑一体化规程及构造标准图集（蚌埠市地方标准）》。2020年10月29日，安徽省蚌埠市发布《蚌埠市薄膜太阳能发电系统产品在建筑上推广应用工作方案》（以下简称《方案》），《方案》指出，其推广应用范围为：一是新建民用建筑大力推广应用；二是新建工业建筑原则上推广应用；三是在建建筑可变更设计应用；四是在既有建筑上应用。
凯盛科技集团作为主编单位，先后编制修订了《建筑用薄膜太阳能电池组件回收再利用通用技术要求》、安徽省标准《太阳能光伏与建筑一体化技术规程》、团体标准《薄膜太阳能发电系统与建筑一体化技术规程》。
三、科技创新支撑发电玻璃全产业链体系建设研究实施效果
（一）建成完备的发电玻璃产业体系
凯盛科技集团大力发展战略性新兴产业，以发电玻璃工业化量产为核心，掌握世界一流的成套技术并建立了配套装备产业集群。目前，发电玻璃产能已超500MW，到十四五末产能将达到2GW。通过集成创新，攻克了发电玻璃转化效率的难题，目前凯盛科技集团已经形成了从石英砂提纯到发电玻璃生产制造及应用的全产业链。
（二）形成了具有自主知识产权的核心技术
作为科技先导型企业，凯盛科技集团始终以科技创新为第一动力，坚持创新引领发展，大力实施创新驱动发展战略，通过大力推进原始创新、集成创新和引进吸收消化再创新，突破了多项关键技术，取得了一系列成果，形成了具有自主知识产权的发电玻璃核心技术体系，自主创新能力和核心竞争力显著提升，有力的支撑了凯盛科技集团的产业转型升级发展，保持行业的龙头和领军企业地位。
（三）推动示范项目落地
凯盛科技集团应用自主知识产权的发电玻璃技术，第一个建筑光伏一体化公共建筑在上海通过验收；第一大世界单体工业应用示范项目在蚌埠顺利投产；第一个高原绿色机场示范项目在九寨安全投运；第一个地标性建筑群在中国（安徽）自贸区加紧建设。凯盛科技集团正以实际行动，在光伏建筑一体化市场发挥发电玻璃技术优势，加快建筑低碳绿色转型。
其中，凯盛科技集团建设的单体规模10MW薄膜光伏建筑一体化（BIPV）应用示范项目运营一周年，累计发电超过约1100万千瓦时，收益约900万元。该项目在凯盛科技集团国家科技重点专项8.5代TFT-LCD超薄浮法玻璃基板生产线厂房屋顶和墙面建设，根据厂房墙面和屋顶的结构、安装方式、施工及运维等方面进行了一体化同步设计，项目采用“自发自用，余电上网”的模式，大幅降低了工业能耗指标，使夏季厂房内工作环境温度下降约4-6度，同时还降低了建筑屋顶的维修费用和用电成本、延长了防水层寿命，为实现建筑从“高能耗向低能耗、正能耗”转变，打造绿色智慧能源试点城市做出了示范。按照运营时间25年计算，项目累计收益约2.2亿元，节约燃煤约11.7万吨，减少二氧化碳排放约26.5万吨。
凯盛科技集团累计已建设完成蚌埠市奥体中心、上海凯盛机器人研发楼等近100MW薄膜光伏建筑一体化项目，年发电量约9000万度，按运营时间25年计算，累计发电量约22亿度，累计节约燃煤约94万吨，减少二氧化碳排放约220万吨，在新型绿色建筑和绿色能源领域起到了示范带动作用，为推进资源全面节约和循环利用、早日实现“碳达峰、碳中和”目标作出了积极贡献。
图6 发电玻璃应用示范项目
（四）经济效益大幅提升
2020年，凯盛科技集团在中国建材集团战略引领下，在大战大考中交出了一份“十三五”圆满收官的优异答卷，全面完成目标任务，夯实高质量发展基础，打造稳增长平台、大利润平台，收入同比增长32%，利润同比增长76%，创造历史新高。“十三五”期间，实现了经营效益“五连盈、五连增”，创造了一系列世界一流科技创新成果，成为领跑国家玻璃新材料产业发展的主力军。
凯盛科技集团将坚定不移践行中国建材集团战略文化，坚定不移落实玻璃新材料“3+1”战略布局，持续推进与市场经济融合在牢记“国之大者”、打造“国之大材”中，努力实现“大业务、大利润、大平台”的高质量发展，坚持以高端产品带动效益提升，为实现“中国玻璃领跑世界”奋勇前进，为实现中华民族伟大复兴的中国梦作出新的更大贡献！
