中國儲能網(wǎng)訊：今年8月29日，在第三屆碲化鎘材料與太陽能電池技術(shù)國際研討會上，成都中建材光電材料有限公司發(fā)布了他們剛剛生產(chǎn)出的第一塊面積達(dá)1.92m2(1.2mx1.6m)，厚度為7mm的碲化鎘薄膜太陽能電池雙玻組件。這一產(chǎn)品發(fā)布是當(dāng)時已知國際上面積最大的碲化鎘薄膜組件。此前，國際上最大的單片碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃面積是0.72m2。
同樣在第三屆碲化鎘材料與太陽能電池技術(shù)國際研討會和中國光伏大會上，美國FirstSolar公司宣布他們將于9月初發(fā)布的第六代（G6）碲化鎘產(chǎn)品信息，其尺寸比前幾代（G3、G4）產(chǎn)品更大，達(dá)到2.4m2（1.2X2m），最大可能地同晶硅組件安裝零件匹配，減低成本。9月6日FirstSolar公司發(fā)布G6產(chǎn)品信息時聲稱，該產(chǎn)品即將在2018年正式推出，并已開始接受訂單。
領(lǐng)先的碲化鎘薄膜電池企業(yè)的產(chǎn)品方向都明確的指向往大面積迭代的發(fā)展趨勢。在這種情況下，薄膜電池產(chǎn)品面積更大會有哪些優(yōu)勢？能夠帶來哪些機(jī)遇？還存在什么問題？是否對晶硅技術(shù)帶來影響？引起業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。
材料性能優(yōu)勢明顯
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。碲化鎘薄膜電池以P型碲化鎘(CdTe)和N型硫化鎘(CdS)的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)，具有以下主要特點(diǎn):
1.CdTe是一種IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，為直接帶隙材料，吸收率高，只需要1μm（千分之一毫米）就可以吸收90%以上的可見光，是單晶硅所需厚度的1/100。制作成薄膜電池，吸收層材料的用量少，成本明顯降低，且能耗也明顯減少。
2.理想太陽能電池轉(zhuǎn)換效率與能帶寬度關(guān)系的計算表明CdTe的能隙1.5eV與地面太陽光譜匹配得非常好，理論效率高達(dá)28%~29%，技術(shù)發(fā)展?jié)摿艽蟆?
3.CdTe材料Cd-Te化學(xué)鍵的鍵能高達(dá)5.7eV，是鎘元素在自然界中最穩(wěn)定的化合態(tài)之一，因此在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。其熔點(diǎn)高達(dá)1041℃，升華溫度400℃；而電池組件運(yùn)行時一般不會超過100℃，因此在正常使用中CdTe不會分解擴(kuò)散。而且CdTe不溶于水，因此在生產(chǎn)和使用過程中穩(wěn)定安全。
4.在真空環(huán)境中溫度高于400℃時，CdTe固體會出現(xiàn)升華，直接通過固體表面形成蒸汽；溫度低于400℃，或者環(huán)境氣壓升高時升華迅速減弱，蒸汽凝聚成固體。這一特性，除了有利于真空快速薄膜制備，如近空間升華（CSS）、氣相輸運(yùn)（VTD）外，還保證了CdTe在真空生產(chǎn)過程中的安全性。
5.碲化鎘薄膜太陽能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.2%/℃至-0.3/℃，比晶體硅太陽能電池低一半左右。且其吸收邊避開了900nm附近的水蒸氣吸收峰。所以更適合于高溫、沙漠及潮濕地區(qū)等嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境。
6.由于碲化鎘薄膜電池的光譜響應(yīng)范圍較寬，吸收系數(shù)高，因此對弱光的敏感度高，具有較好的弱光效應(yīng)，所以其發(fā)電時間比晶硅電池長的多。
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由于碲化鎘材料的天然優(yōu)勢，以及在全球的發(fā)展實(shí)踐，這項(xiàng)技術(shù)因其低成本、高轉(zhuǎn)化效率和高穩(wěn)定性逐漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)同。有人說，如果說薄膜電池里有可以在地面電站市場的激烈競爭中生存下來的技術(shù)那么應(yīng)該就是碲化鎘。
技術(shù)的突破
以前，碲化鎘技術(shù)面臨的一個問題是電池的電壓輸出都不太理想。碲化鎘電池開路電壓的理論值為1.2V，相對這一理論值，一般只能做到高于0.8V，但不超過0.9V。這可能帶來碲化鎘材料是不是做高效光伏電池方面有天然缺陷的疑問。但是近幾年，國外的實(shí)驗(yàn)室在基礎(chǔ)研究方面取得了新的突破。2015年，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室的WyattMetzger團(tuán)隊在碲化鎘單晶晶體電池上，已經(jīng)把電池的開路電壓率先做了超過1V。2016年美國艾利桑娜州立大學(xué)的Yong-HangZhang團(tuán)隊在分子束外延生長的碲化鎘單晶薄膜電池上，也將電池的開路電壓進(jìn)一步提高到接近1.12V的水平，其某些性能甚至優(yōu)于單晶砷化鎵三五族材料，如載流子壽命大于3.6μs。那么，這就從基礎(chǔ)研究方面充分證明了碲化鎘材料的半導(dǎo)體光電性能是很適宜制備高效太陽電池的。各碲化鎘薄膜電池研究團(tuán)隊正在積極研究將單晶碲化鎘上取得的這些突破引入到低成本的多晶薄膜電池技術(shù)中，例如FirstSolar公司在第三屆碲化鎘材料與太陽能電池技術(shù)國際研討會上，就公布了他們通過改善CdTe多晶薄膜的p型摻雜，已經(jīng)將電池的開路電壓提高到了900mV以上。
中國科學(xué)院電工研究所劉向鑫研究員說：“目前，國外業(yè)界同行在技術(shù)方面的進(jìn)步是很快的，碲化鎘薄膜電池已經(jīng)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室效率22.1%的水平。如果結(jié)合開路電壓超過1V的技術(shù)，那么將很有希望把實(shí)驗(yàn)室的單結(jié)電池效率進(jìn)一步提高到25%以上。當(dāng)然這一過程中會有許多的技術(shù)創(chuàng)新和與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的磨合。不僅僅是產(chǎn)品需要迭代升級，生產(chǎn)線工藝和布局很可能都需要向更高技術(shù)迭代。我們至少可以看到，這個過程中的發(fā)展空間是很大的。碲化鎘薄膜技術(shù)不僅在成本、效率、穩(wěn)定性方面充分驗(yàn)證了自己的市場適應(yīng)性，而且在基礎(chǔ)研究方面為生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步提供了充足的發(fā)展空間，這一點(diǎn)可以清楚地從如下兩個事實(shí)看出來：2011年以來實(shí)驗(yàn)室效率連續(xù)9次的快速提升和2015年以來開路電壓多次突破1V。一個發(fā)展空間已經(jīng)形成?！?
差異化生存的必要
國內(nèi)對碲化鎘技術(shù)曾經(jīng)有偏見，認(rèn)為有毒。FirstSolar加利福利亞研究中心主任熊剛表示，其實(shí)，關(guān)于鎘的毒性問題早在是十幾年前，F(xiàn)irstSolar公司決定商業(yè)化的時候已經(jīng)解決。
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而在晶體硅技術(shù)為主流技術(shù)的環(huán)境下，薄膜技術(shù)要想活下來需要避開和晶體硅的直接競爭。對大面積產(chǎn)品的需求就是薄膜電池應(yīng)該瞄準(zhǔn)的一個差異化的市場，對產(chǎn)品面積需求越來越大會成為一個趨勢。
2017年中國的分布式光伏開始快速發(fā)展，成為爆發(fā)式發(fā)展的一個起點(diǎn)，而晶體硅技術(shù)無法完全滿足市場需求。尤其在光伏建筑一體化，即BIPV領(lǐng)域，薄膜技術(shù)有著不可替代的優(yōu)勢。在許多有陰影遮擋的場所，分布式光伏對碲化鎘薄膜電池產(chǎn)品的需求愈加強(qiáng)烈。此外，碲化鎘薄膜電池還有其他薄膜電池不可比擬的成本優(yōu)勢。因此，BIPV對薄膜電池的需求將會越來越大，對薄膜電池尺寸的要求也會越來越大，大面積的薄膜電池產(chǎn)品將成為新的發(fā)展趨勢。
當(dāng)生產(chǎn)的薄膜組件面積越來越大，它能夠被應(yīng)用的場所就會越來越廣泛。劉向鑫這樣說：“這是一個生產(chǎn)創(chuàng)造需求的過程，而不是相反。我們可以看到，目前，無論是成都中建材新上生產(chǎn)線生產(chǎn)的5.5代，還是First Solar公司6代產(chǎn)品的面積，其實(shí)對于分布式光伏的應(yīng)用來講還是很不夠的，還沒有達(dá)到和建筑工程玻璃要求的水平。所以，我認(rèn)為碲化鎘薄膜電池的在向更大面積產(chǎn)品升級發(fā)展的空間很大。我們可以這樣考慮，面積大的產(chǎn)品，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要向下切割成小面積，所以可以向下涵蓋小面積產(chǎn)品的應(yīng)用市場。但是面積小的產(chǎn)品卻不一定能涵蓋面積大的產(chǎn)品的應(yīng)用市場，這是容易被理解的。”
面積越大的薄膜組件可以有效利用的面積更大。因?yàn)楸∧そM件是全面積覆蓋，只有去邊部分不能發(fā)電。而晶硅組件，電池片之間有一定的縫隙，會帶來面積上的浪費(fèi)。所以薄膜組件的面積越大，去邊部分的占比越小，有效面積的比例就會越高。但是大面積組件的生產(chǎn)工藝要求更高。
“一直以來有一種說法，就是光伏組件的尺寸不能太大，至少需要一到兩個工人可以抬得動的尺寸。但是在自動化安裝機(jī)械出現(xiàn)之后，這種顧慮對地面電站已經(jīng)變得沒有必要，對于應(yīng)用于建筑的BIPV產(chǎn)品更是如此，因?yàn)榻ㄖＡУ陌惭b更不可能依靠人力。為了降低安裝成本，晶體硅產(chǎn)品早已從60片組件轉(zhuǎn)向更大的72片組件，薄膜產(chǎn)品跟進(jìn)這個趨勢是必然的。而BIPV市場對大尺寸薄膜組件也有同樣需求，因?yàn)樾枰辖ㄖ墓こ桃?guī)范。”劉向鑫如是認(rèn)為。
配套晶硅 建立產(chǎn)業(yè)鏈
對于碲化鎘技術(shù)未來如何發(fā)展，熊剛說：“大面積組件的系統(tǒng)造價更低，組件的本身效率也會更高。目前，F(xiàn)irstSolar公司在尺寸的選擇上，已和晶硅組件的尺寸基本相當(dāng)，所以這樣能夠最大程度上利用已經(jīng)成熟的晶硅安裝所用的設(shè)備，例如支架等。這就對供應(yīng)鏈沒有特殊的要求。
有國內(nèi)碲化鎘專家也認(rèn)為，碲化鎘薄膜技術(shù)要想發(fā)展，必須要適應(yīng)現(xiàn)有市場的產(chǎn)品設(shè)計，可以將為晶體硅產(chǎn)品設(shè)計的平衡系統(tǒng)部件應(yīng)用在薄膜產(chǎn)品上。這樣就避免了相關(guān)廠家專門針對薄膜產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)，可以有效地降低整個系統(tǒng)的安裝成本。
碲化鎘技術(shù)在我國發(fā)展還需要配套的產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)光伏專家這樣認(rèn)為，光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近十來年的發(fā)展，基本達(dá)成這樣的共識，就是任何一種光伏的技術(shù)要在市場上生存下來，必須要有三條腿，這三條腿分別是效率、成本和穩(wěn)定性，這三條腿都需要站得穩(wěn)，才能夠做得好。對于碲化鎘技術(shù)，三條腿理論應(yīng)該再加一條，就是需要有配套的產(chǎn)業(yè)鏈，我國的碲化鎘技術(shù)現(xiàn)在缺的就是配套的產(chǎn)業(yè)鏈?！?
用業(yè)內(nèi)專家的看法作為結(jié)語：碲化鎘是一種上天恩賜給人類的清潔能源材料，既具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)化效率和地面光伏應(yīng)用所需的諸多優(yōu)點(diǎn)，又天然適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。對中國來說，能夠?yàn)榻鉀Q傳統(tǒng)冶煉產(chǎn)業(yè)造成的重金屬副產(chǎn)品處置問題提供高附加值的技術(shù)解決路徑。
責(zé)編：杉杉
