华宇注册-华宇平台登录[注册]晶体硅和薄膜太阳能电池是现在乃至未来十年的两大主要技术阵营，晶体硅太阳能电池以高转化效率在过去和现在都主导着全球光伏市场。2011年以来，全球光伏产业在经历高速发展后，带来的是产能严重过剩，多晶硅价格暴跌，大批晶硅太阳能电池企业破产、重组或裁员。在上述背景下，高效而廉价的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池因其本身所固有的良好材料性能和自身实践，而被越来越多的投资者所关注，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。
一般而言，基于光吸收层材料体系的不同，薄膜太阳能电池主要分为硅基薄膜太阳能电池(如，非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜电池等)、化合物薄膜太阳电池(如，碲化镉、铜铟镓硒及砷化镓薄膜电池等)、有机和染料敏化太阳能电池三类。其中，碲化镉薄膜电池是一种以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[1]。碲化镉为Ⅱ-Ⅳ族化合物，是直接带隙半导体，光吸收强，其禁带宽度与地面太阳光谱有很好的匹配，最适合于光电能量转换，可吸收95%以上的太阳光，是一种良好的太阳能电池材料[2]。在各类薄膜光伏电池中，硅基薄膜光伏电池的转换效率最低，且存在光致衰减的固有缺陷，加之生产设备投资大，因此其成本短时间内难有明显下降;尽管铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的转换效率最高，但是其发展受困于生产成本较高、工艺未标准化、铟和镓的蕴藏量有限等问题;而碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池由于生产成本低、性能稳定，转换效率也比硅基薄膜电池高，其规模化量产具有很高的性价比。因此，碲化镉薄膜电池得到了较快发展。具体来看，碲化镉薄膜电池主要有以下几方面优点。
一是制造成本低。与其他太阳能电池相比，碲化镉薄膜电池具有较低的制造成本，这主要是由其电池结构、原材料及制造工艺等方面决定的。首先，碲化镉薄膜电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件。与其他太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单，一般而言，其电池由五层结构组成，即玻璃衬底、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(见图1)。碲化镉薄膜电池的简单结构大大缩短了生产时间，使制造成本明显下降。据美国FirstSolar公司数据显示，碲化镉薄膜太阳能电池组件(从玻璃衬底的安装到电池组件出货)的全流程生产时间小于2.5小时。其次，碲化镉的吸收系数在可见光范围高达105/cm(高于硅材料100倍)，太阳光中有99%的能量高于碲化镉禁带宽度的光子可在2mm(微米)厚的吸收层内被吸收，因此碲化镉薄膜太阳能电池理论上吸收层厚度在几个微米左右，原材料消耗极少，因而碲化镉电池制造成本较低。最后，碲化镉属于简单的二元化合物系统，容易生产单相材料，制备方法容易实施，有效降低了制造成本。目前已有10种以上的技术可制备转换效率10%以上的碲化镉小面积电池，其中已有5种技术用于产业化生产。特别是近距离升华(CSS)和气相输运沉积(VTD)技术，具备沉积速率高(3-10mm/min)、膜质好、晶粒大、原材料利用率高(
二是转换效率高。与晶硅、砷化镓等其他类型的太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池具有最高的理论光电转换效率，约为30%(见图2)。从实验室转换效率看，碲化镉薄膜电池的实验室转换效率已经不断接近晶体硅太阳能电池。2013年4月9日，经美国能源部下属国家可再生能源实验室(NREL)验证，美国FirstSolar公司碲化镉薄膜太阳能电池转换效率达到18.7%，总面积组件效率达到16.1%，均创下新的世界纪录。从商业化产品转换效率看，在各类薄膜太阳能电池中，量产碲化镉薄膜电池的最高转换效率仅次于铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池。目前，全球量产薄膜太阳能电池的平均转换效率约为10%，其中，量产CIGS、CdTe及非晶硅/微晶硅薄膜太阳能电池组件的最高转换效率分别为15.5%、13.1%、9.8%(见图3)。
三是温度系数低。实践表明，当组件温度上升，所有太阳能电池将会出现性能损失，这主要是由于太阳能电池开路电压的下降。温度系数(TemperatureCoefficient)是指太阳能电池组件输出功率随着工作温度的升高而变化的速率。一般而言，晶体硅太阳能电池组件的温度系数为-0.45%/℃至-0.50%/℃，即组件温度每升高1℃，太阳能电池组件的输出功率降低0.45%至0.50%[4]。而碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.25%/℃，比晶体硅太阳能电池低一半左右，所以更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。较低的温度系数意味着碲化镉薄膜电池组件的输出功率更不易受气温影响，也就代表着碲化镉薄膜电池在更高的温度下能提供更多的能量。美国FirstSolar公司实验数据显示，当电池组件温度低于25℃时，多晶硅太阳能电池组件的性能表现(用直流电源输出功率与在标准测试条件下的额定功率之比来表示)要优于碲化镉太阳能电池组件;当电池组件温度高于25℃，碲化镉太阳能电池组件的性能表现要优于多晶硅电池(见图4)。如，在电池组件温度达到65℃(比标准温度高40℃)时，传统晶硅太阳能电池组件的输出功率减少了20%，而FirstSolar公司碲化镉薄膜太阳能电池组件仅减少约10%。这就意味着在炎热的夏天或者高温地区，碲化镉太阳能电池的实际发电量比晶硅太阳能电池要高。
四是弱光效应好。碲化镉薄膜电池的弱光效应是其较于晶硅电池的另一大显著优势。由于碲化镉薄膜电池的光谱响应范围较宽，因此对弱光的敏感度高，具有较好的弱光效应，使其无论在清晨、傍晚，还是阴云雨天等弱光环境下都能发电。因此，碲化镉薄膜电池每天具有比晶硅电池长得多的发电时间，其实际发电量要高于晶硅电池，这就补足了其发光效率相对较低的不足。
五是环境友好。大量的研究表明，碲化镉(CdTe)薄膜电池组件是环保友好的产品。CdTe不同于有毒元素镉(Cd)，是稳定的化合物，能被安全使用。CdTe薄膜组件中CdTe用量很小，1MW碲化镉组件仅需约250kg的碲化镉。CdTe被密封在两块玻璃之间，常温下没有镉的释放。即使在1100℃的高温下，根据美国Brookhaven国家实验室(BNL)报告，99.96%的CdTe都被熔化的两块玻璃封住而没有泄露。比较其他几种太阳能电池及其他能源，在碲化镉太阳能电池组件制备和使用全寿命周期内，总的镉排放量为最低(见图5)。欧洲PVAcceptProject报告显示，碲化镉薄膜电池的能量回收期仅为10.8个月，美国FirstSolar公司的实践也已证明其为10个月，而晶体硅电池的能量回收期则为2.5-3年[5]。碲化镉薄膜电池组件生产厂商回收废旧碲化镉组件，并应用已开发的废旧组件再利用技术，可重新利用其中的主要原材料，这样既加强环保又逐步实现循环经济的发展模式。2011年，欧盟已经豁免了RoHS(全称为《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》)的要求，大量碲化镉电池组件已广泛应用于德国、西班牙、意大利等一些欧盟国家。
二是关键原料碲(Te)的供应不足。从原材料的稀缺性角度考虑，碲(Te)的天然蕴藏量有限将会制约碲化镉薄膜太阳能电池的长期发展。碲(Te)是一种银白色稀有类金属元素，主要伴生于铜、铅锌等金属矿产中，广泛应用于冶金、电子、化学、玻璃等产业领域。工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。目前，国内外对全球碲的地质储量莫衷一是。据美国地质调查局(USGS)数据显示，全球碲的储量仅为2.4万吨左右，主要分布在美国、秘鲁、加拿大等国家和地区。而我国国内相关报道认为，全球碲的地质储量为14.9万吨，我国碲储量约为2.2万吨，居全球第三位，主要集中于广东、江西、甘肃等省。我们姑且认为，全球碲的储量在2.4万吨和14.9万吨之间。
如果按照制造1MW薄膜太阳能电池组件约需130-140公斤碲来测算的话，那么根据碲的上述探明储量范围(2.4-14.9万吨)，地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线年之间。因此，乐观看来，全球碲资源储量是可以满足生产需求的。但如果从经济层面考虑，碲原料价格的不断上涨却成为碲化镉电池产业发展的一大桎梏。2000年，当全球碲化镉薄膜太阳能电池还没有大规模生产时，碲原料价格每公斤仅为34.4美元，全球产量为110吨。但随着碲化镉薄膜电池产业的快速发展，碲原料的价格不断攀升，2011年全球碲原料平均市场价格为每公斤349.0美元。12年间，全球碲原料价格上涨了十多倍(见图6)。当前全球只有美国FirstSolar量产碲化镉电池，年产量约为1900MW。但是，如果今后有的新的厂家大量涌现，全球碲化镉电池的产能不断扩大，那么这种稀缺性原材料碲的市场价格必然会疯狂上涨，继而导致碲化镉薄膜电池的生产成本不断增加，电池的经济性也将不断降低。
对于碲化镉薄膜电池的制备而言，不论是哪一项沉积工艺步骤，都存在许多不同的沉积技术。这些技术包括：气相输运沉积(VTD)、近距离升华(CSS)、常压物理气相沉积(APPVD)、溅射沉积、电镀沉积等十余种技术。实践证明，在如此众多的技术中，气相输运沉积(VTD)技术和近距离升华(CSS)技术最适合于工业化生产。其中，VTD技术的主要特点是镀膜速度快，均匀性高，产量大，材料利用率高，无需更换原材料，技术独有性强，后续器件工艺与其他技术兼容;CSS技术的主要特点是：镀膜速度快，容易获得高效率产品，均匀性设计对热场设计依赖性强，原材料更换需要特别设计，主要技术公开，后续器件工艺与其他技术兼容。
从全球碲化镉薄膜电池制造商所在技术阵营看，美国FirstSolar公司是全球唯一一家采用气相输运沉积(VTD)技术的企业。VTD技术是FirstSolar公司的专利技术，并严格禁止其他企业采用;近距离升华(CSS)技术由于技术公开，全球大部分企业都采用该项技术，主要代表企业是美国的AboundSolar及通用电气(GE)，德国的AntecSolar及CTFSolar，意大利的ARENDI等;常压物理气相沉积(APPVD)技术的专利拥有者则是美国俄亥俄州的SolarFields公司及其子公司德国Calyxo(见表1)。表1中有的公司由于生产成本高等原因，已经终止已有的生产能力，并申请破产，如美国Aboundsolar(原AVASolar)公司;很多公司尽管已投入大量资金建立了生产线，但至今仍未形成大规模生产能力，如意大利ARENDI、德国AntecSolar等。总之，目前全球能够大规模生产碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件的企业只有美国FirstSolar一家，其产量约占全球总产量的95%以上。可见，碲化镉薄膜电池技术产业化并不是一件单纯的技术工作，而是一项综合性很强的系统工程，实现该技术的产业化有较大的难度。
注：由于全球大部分碲化镉薄膜电池制造商规模较小，而且不是上市公司，因此其电池组件产量数据极为缺乏。2012年，德国Calyxo公司投入运营其第二条60MW碲化镉薄膜电池生产线MW碲化镉薄膜电池生产线月，美国Aboundsolar(原AVASolar)公司申请破产。2011年4月，美国通用电气(GE)集团兼并全球知名的碲化镉薄膜电池组件制造商PrimeStarSolar公司，从而进军碲化镉薄膜太阳能电池产业领域。ARENDISRL公司隶属于意大利玛切嘉利(Marcegaglia)集团下属的EuroEnergy集团。
目前，在全球各类太阳能电池中，晶体硅(单晶硅+多晶硅)电池产量占据绝对优势，所占比重超过85%;薄膜太阳能电池产量居其次，所占比重约为14%;带状晶体硅及聚光等其他类型太阳能电池产量非常小，所占比重约为1%。如图7所示，1980年，全球太阳能电池市场以单晶硅电池为主，其产量所占比重高达96%，而多晶硅电池和带状晶体硅电池仅占4%左右。随着太阳能电池技术的不断发展，单晶硅太阳能电池所占比重不断下降，多晶硅及薄膜太阳能电池所占比重不断上升。
2011年，多晶硅、单晶硅及薄膜等电池占全球太阳能电池总产量的比重分别达到45.4%、40.0%、14.1%。2012年，全球太阳能电池产量达到37400MW，同比增长6.3%。其中，晶体硅太阳能电池所占比重进一步上升，约占总产量的88.2%;薄膜太阳能电池所占比重出现下滑，约占总产量的10.7%。
目前，在薄膜太阳能电池市场中，以碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池产量最大，其市场占有率在2009年达到峰值;排名第二的是铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池。2007年以来，伴随着部分CIGS厂商的技术突破、转换效率的不断提高，CIGS薄膜光伏电池再度得以快速发展，其所占市场份额在2011年超过非晶硅薄膜电池，位居第二;2006年以前，非晶硅薄膜太阳能电池产量所占市场份额排名第一，但由于转换效率低且存在光致衰退的固有缺陷，其市场占有率从2000年开始逐步萎缩，并最终排名第三(见图8)。根据德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所数据显示，2011年全球薄膜太阳能电池的产量约为3383MW，其中碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)及非晶硅(a-Si)等薄膜电池的产量分别约为2081MW、694MW、608MW，所占比重分别为61.5%、20.5%、18.0%(见图9)。
经过十多年的使用，碲化镉光伏电池组件初步证明效率较高、性能稳定，已被市场所接受。目前，全世界在建和已完成的十个大型光伏电站，其中有6个光伏电站并且包括最大的3个电站(装机量≥290MW)都是采用的碲化镉薄膜电池组件(见表2)。碲化镉薄膜电池组件除用于大型并网光伏电站外，已开始逐步进入民用供电，如企业、机关、学校等分布式用户侧小规模并网发电。
2011年下半年以来，由于全球光伏市场需求持续疲软和残酷的竞争，以及由于美国、德国、韩国等国家低于成本价倾销多晶硅，使晶体硅太阳能电池的价格极具竞争力，而碲化镉等薄膜光伏电池在成本上与晶硅电池相比已经不具竞争力。数据显示，2012年，美国FirstSolar公司碲化镉薄膜电池组件成本为0.73美元/瓦，而中国的晶体硅电池制造商晶科能源、晶澳太阳能的组件成本已经低至0.62美元/瓦、0.64美元/瓦(见图10)。进入2012年，伴随着美国Aboundsolar公司的破产，碲化镉薄膜电池产业也随着整个光伏产业进入了严冬。全球最大的碲化镉光伏电池生产商FirstSolar为度过光伏寒冬期，一方面选择与Intermolecular公司合作，以期加快材料和流程的研发，缩短高效碲化镉薄膜光伏组件的上市时间。同时，FirstSolar公司也进军单晶硅电池领域，收购美国单晶硅电池制造商TetraSun，并计划与2014年下半年开始试验性生产铜基单晶硅电池。另一方面，为减少成本，FirstSolar关闭了位于德国法兰克福的一家工厂，裁员1050名;闲置了在马来西亚的部分工厂，减少了30%的员工，2012年FirstSolar共减少2000个工作岗位。
我国碲化镉(CdTe)薄膜电池的研究工作开始于上世纪80年代初。早期内蒙古大学、新疆大学、云南师范大学等采用蒸发技术、溅射等方法研究和制备碲化镉薄膜电池，研究主要集中在材料性能的研究，制备出的小面积电池效率达到6%左右。上世纪90年代后期，四川大学开始了碲化镉薄膜太阳能电池的研究，在“九五”期间，四川大学承担了科技部资助的科技攻关计划，采用近距离升华沉积技术研究制备CdTe薄膜电池，并取得很好的成绩，小面积电池效率突破13.38%。“十五”期间，CdTe薄膜电池研究被列入国家高技术研究发展计划“863”重点项目，“十一五”期间计划建立一条0.2MW的中试线，四川大学逐渐成为国内CdTe太阳能电池的主要研究单位。随着太阳能产业的发展，特别是近几年国外CdTe电池的发展，包括上海技术物理研究所在内的中科院一些研究单位也加入其中，在中科院“太阳能行动计划”的支持下，开展高性能CdTe电池以及产业化关键技术的研究，上海太阳能电池研究与发展中心等在普通商用玻璃上制备的1cm2面积CdTe电池效率在10%以上，0.07cm2面积接近14%;中科院电工所2微米(μm)厚的CdTe电池效率达到12.78%。
一是从产业化看，目前以美国FirstSolar等为代表的企业形成了上GW(1GW=1000MW)的生产规模，而国内碲化镉薄膜电池组件生产还处于起步阶段。国内仅有龙焱能源科技(杭州)有限公司生产出平均转换效率达到11.39%的碲化镉薄膜电池组件产品ASP系列，并建成了一条年产30MWCdTe薄膜电池组件的生产线。但不可否认的是，龙焱能源科技的ASP系列产品刚刚上市，产量和产品种类非常少，销售情况仍处于起步，离产业化还有很长的距离。其他企事业单位，如四川大学在2008年和尚德公司合作承担2MW中试线技术开发，但目前还没有成功的报道。2009年底，四川阿波罗太阳能公司宣称5MW中试线运行，但直到现在还没有产品出现。
二是从研究投入看，与美国相比，我国政府对碲化镉薄膜电池的研究经费支持力度还比较小。上世纪90年代中期，美国政府开始专项投入CdTe太阳能电池的研究。美国能源部先后发布“薄膜合作组织计划”和“高性能光伏计划”，制定了中(2006)、长期(2015)薄膜太阳能电池发展规划。其中，CdTe电池是研究的一部分，由美国可再生能源实验室(NREL)牵头，组织大学、研究所和企业参与，每三年为一个研发周期，完成一定的目标，研发投入每年约为几百万美元。虽然我国对CdTe电池研发支持的时间与美国基本一致，但经费支持规模却明显偏小。如，从1990年以后，国内对CdTe太阳能电池研究投入陆续增加，国家自然基金在基础研究方面给予一定的支持，经费仅为几万元到几十万元，参与的单位各自提出独立的研究课题。
2000年开始的“十五”期间，科技部“863”、“973”计划对太阳能电池研究进行专门的支持，组织多家单位进行技术攻关，CdTe电池的研究作为其中的一部分落在四川大学，支持力度为几百万元。2008年科技部“863”计划又一次对太阳能电池研究进行支持，支持与企业联合进行2MW中试产业化的研究，CdTe太阳电池也是其中的一个课题，由四川大学和尚德公司合作承担，支持力度达到1600万元，企业匹配6400万元。虽然，我国对CdTe太阳能电池的经费支持力度逐渐增大，从支持技术研究逐渐到支持产业化的研究。但国内目前的研发投入没有形成团队合作研发的局面，还是集中在一个点上，缺乏广泛的技术基础，只依靠一个单位或一个企业，成功的风险很大，往往只有投入没有产出。因此，国内的CdTe技术研发需要一个由研发单位和企业组成的团队联合攻关。
首先，碲化镉薄膜电池的原材料国内完全能够提供，从矿石开采到高纯材料提纯，我国都有相当的基础。目前，大多数的Cd(镉)和Te(碲)原材料都是铅锌铜矿开采的副产品，我国镉矿资源约占世界镉矿资源总量的23%，居世界第一位，碲的储量在世界上处于第三位。四川阿波罗太阳能公司新建有高纯Cd、Te以及合成高纯CdTe的原材料生产线，每年可以向外提供几十吨的高纯材料;峨嵋半导体厂去年扩建了高纯车间，具有年产十几吨的生产能力，正在等待国内CdTe电池产业的发展。
其次，国内相关研究单位和企业已经介入碲化镉薄膜电池技术中。四川大学一直在进行CdTe电池技术及产业化的研究;中科院的太阳能行动计划把开发产业化的CdTe电池技术作为重点，组织了多家研究所进行联合攻关;四川大学、中科院上海技术物理研究所都在进行中试规模产业化的研究;杭州龙焱能源科技已建成一条年产30MWCdTe薄膜电池组件的生产线，并生产出平均转换效率达到11.39%的CdTe电池组件产品。这些研究机构和企业构成了我国CdTe薄膜太阳能电池产业化发展不可缺少的载体。因此，无论从太阳能电池技术发展趋势还是从国家能源发展战略考虑，目前，我国需要重视CdTe薄膜太阳能电池技术产业化的发展，从国家能源技术储备角度来抓好产业化布局。
