秦子川 于萍 魏娜娜

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所 北京 100024）

0 引言

近年來，隨著太陽能發(fā)電等新興技術(shù)的不斷成熟與進步，如何將其與大面積的玻璃立面、門窗相結(jié)合，使建筑玻璃也能夠產(chǎn)能發(fā)電，實現(xiàn)建筑光伏一體化（Building Integrated Photovoltaic-BIPV）成為了國內(nèi)外科研機構(gòu)、高校以及企業(yè)研究與產(chǎn)品開發(fā)的熱點。其中，利用碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池技術(shù)與玻璃結(jié)合制成的“發(fā)電玻璃”最具競爭力和發(fā)展?jié)摿Γ乙言趪鴥?nèi)外多個建筑項目得到應用，在降低建筑能耗及成本、減少二氧化碳排放、緩解建筑電力需求等方面具有顯著優(yōu)勢。2019年，碲化鎘“發(fā)電玻璃”入選工信部頒布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》。從中長期來看，該類型產(chǎn)品的應用對于推動我國新材料、新能源、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)進步、促進建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)更高水平發(fā)展也有著重要意義。

1 碲化鎘太陽能電池的組成

與其他太陽能電池相比，碲化鎘薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)比較簡單，一般而言，其由五層結(jié)構(gòu)組成，即玻璃襯底、透明導電氧化層（TCO層）、硫化鎘（CdS）窗口層、碲化鎘（CdTe）吸收層、背接觸層和背電極，如圖1所示［1］。

圖1 碲化鎘薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意

2 碲化鎘太陽能電池的性能優(yōu)勢

碲化鎘薄膜太陽能電池主要有以下幾方面特點及優(yōu)勢。

（1）制造成本低

與其他太陽能電池相比，碲化鎘薄膜太陽能電池具有較低的制造成本，這主要是由其電池結(jié)構(gòu)、原材料及制造工藝等方面決定的。首先，碲化鎘薄膜太陽能電池的簡單結(jié)構(gòu)大大縮短了生產(chǎn)時間，使制造成本明顯下降。據(jù)相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)顯示，碲化鎘薄膜太陽能電池組件（從玻璃襯底的安裝到電池組件出貨）的全流程生產(chǎn)時間小于2.5 h。其次，碲化鎘的吸收系數(shù)在可見光范圍高達105cm-1（高于硅材料100倍），太陽光中有99%的能量高于碲化鎘禁帶寬度的光子可在2 mm厚的吸收層內(nèi)被吸收，因此碲化鎘薄膜太陽能電池理論上吸收層厚度在幾個微米左右，原材料消耗極少，因而碲化鎘電池制造成本較低。最后，碲化鎘屬于簡單的二元化合物系統(tǒng)，容易生產(chǎn)單相材料，制備方法容易實施，有效降低了制造成本。目前已有10種以上的技術(shù)可制備轉(zhuǎn)換效率10%以上的碲化鎘小面積電池，其中已有5種技術(shù)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。特別是近距離升華（CSS）和氣相輸運沉積（VTD）技術(shù)，具備沉積速率高（3～10 mm/min）、膜質(zhì)好、晶粒大、原材料利用率高（>85%）等優(yōu)點，特別適合大規(guī)模生產(chǎn)。

（2）轉(zhuǎn)換效率高

與晶硅、砷化鎵等其他類型的太陽能電池相比，碲化鎘薄膜太陽能電池具有最高的理論光電轉(zhuǎn)換效率，約為30%。從實驗室轉(zhuǎn)換效率看，碲化鎘薄膜電池的實驗室轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)不斷接近晶體硅太陽能電池。從商業(yè)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率看，在各類薄膜太陽能電池中，量產(chǎn)碲化鎘薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率僅次于銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池。

（3）溫度系數(shù)低

溫度系數(shù)（Temperature Coefficient）是指太陽能電池組件輸出功率隨著工作溫度的升高而變化的速率。一般而言，晶體硅太陽能電池組件的溫度系數(shù)為-0.45%/℃～-0.50%/℃，即組件溫度每升高1℃，太陽能電池組件的輸出功率降低0.45%～0.50%。而碲化鎘薄膜太陽能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.25%/℃，比晶體硅太陽能電池低一半左右，所以更適合于高溫、沙漠及潮濕地區(qū)等嚴苛應用環(huán)境。較低的溫度系數(shù)意味著碲化鎘薄膜電池組件的輸出功率更不易受氣溫影響，也就代表著碲化鎘薄膜電池在更高的溫度下能提供更多的能量。

（4）弱光效應好

碲化鎘薄膜電池的弱光效應是其較于晶硅電池的另一大顯著優(yōu)勢。由于碲化鎘薄膜電池的光譜響應范圍較寬，因此對弱光的敏感度高，具有較好的弱光效應，使其無論在清晨、傍晚，還是陰云雨天等弱光環(huán)境下都能發(fā)電。因此，碲化鎘薄膜電池每天具有比晶硅電池長得多的發(fā)電時間，其實際發(fā)電量要高于晶硅電池，這就補足了其發(fā)光效率相對較低的不足。

（5）環(huán)境友好

大量的研究表明，碲化鎘薄膜電池組件是環(huán)保友好的產(chǎn)品。碲化鎘不同于有毒元素鎘（Cd），是穩(wěn)定的化合物，能被安全使用。碲化鎘薄膜組件中碲化鎘用量很小，1 MW碲化鎘組件僅需約250 kg的碲化鎘。碲化鎘被密封在兩塊玻璃之間，常溫下沒有鎘的釋放。即使在1100 ℃的高溫下，根據(jù)美國Brookhaven國家實驗室（BNL）報告，99.96%的碲化鎘都被熔化的兩塊玻璃封住而沒有泄露。比較其他幾種太陽能電池及其他能源，在碲化鎘太陽能電池組件制備和使用全壽命周期內(nèi)，總的鎘排放量為最低［2］。

3 碲化鎘薄膜太陽能電池的國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 國外現(xiàn)狀

圖2 2014—2019年全球碲化鎘薄膜太陽能電池組件產(chǎn)量

從產(chǎn)品產(chǎn)量占比角度看，2019年全球薄膜類太陽能電池產(chǎn)品產(chǎn)量占據(jù)所有類型太陽能電池總產(chǎn)量的4.63%，其中，碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)量又占據(jù)了薄膜類太陽能電池總產(chǎn)量的85.50%。說明目前晶硅太陽能電池仍占據(jù)市場主導地位，但碲化鎘在薄膜類太陽能電池領(lǐng)域的主導地位同樣明顯，如圖3和圖4所示。

近十多年來，碲化鎘薄膜太陽能電池已實現(xiàn)了由實驗室研究走向規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)化應用的道路。2014—2019年全球碲化鎘薄膜太陽能電池組件產(chǎn)量如圖2所示。

圖3 2019年全球各類太陽能電池產(chǎn)量細分產(chǎn)品占比

圖4 2019年全球薄膜類太陽能電池產(chǎn)量細分產(chǎn)品占比

從國外生產(chǎn)企業(yè)來看，由于技術(shù)和資金壁壘極高，目前全球能夠量產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽能電池的企業(yè)屈指可數(shù)，行業(yè)競爭格局十分清晰。目前從事或之前從事生產(chǎn)的企業(yè)主要有美國FirstSolar［3］、ToledoSolar、 Reel Solar、 AboundSolar（ 原AVASolar）、通用電氣公司，德國AntecSolar、Calyxo、CTFSolar，意大利ARENDI公司等。國外主要碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀見表1。

表1 國外主要碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀

如表1所示，目前全球能夠大規(guī)模量產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽能電池的國外企業(yè)僅有美國FirstSolar一家，能夠穩(wěn)定量產(chǎn)的有美國ToledoSolar和德國Calyxo兩家，但產(chǎn)能產(chǎn)量與FirstSolar相去甚遠。由于ToledoSolar公司 2020年才剛剛成立投產(chǎn)，在近期發(fā)展中無論是在技術(shù)、資金還是市場占有率上都遠難以撼動FirstSolar的龍頭地位。Calyxo公司在2018年也申請破產(chǎn)，但因被TS Group收購撤回了該申請，產(chǎn)品性能也與上述兩家企業(yè)也存在一定差距。FirstSolar目前訂單已排到2021年上半年度，訂單總量已超過其年產(chǎn)能上限，可以看出碲化鎘薄膜太陽能電池的市場需求依然強勁。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展以及市場認可度的不斷提升，或?qū)懈嘈缕髽I(yè)進入該領(lǐng)域。

3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前我國能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)品的企業(yè)主要有龍焱能源科技（杭州）有限公司、凱盛集團和中山瑞科新能源有限公司。

（1）龍焱能源科技（杭州）有限公司

龍焱能源科技（杭州）有限公司（下稱龍焱）成立于2008年，創(chuàng)始人是前美國可再生能源實驗室（NREL）的國人科學家吳選之教授，他于2001年創(chuàng)造了碲化鎘電池轉(zhuǎn)換效率16.7%的紀錄并保持了10年之久。公司成立后就一直致力于碲化鎘薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化。2011年9月，龍焱建成擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的25 MW全自動碲化鎘薄膜太陽能電池組件生產(chǎn)線。2013年，龍焱的1200 mm×600 mm組件達到了12.05%的轉(zhuǎn)換效率，開始實現(xiàn)產(chǎn)品市場化。2019年9月，龍焱與山西陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司等合資的陽泰龍焱首條40 MW碲化鎘薄膜太陽能電池投產(chǎn)，該項目為一期項目，二期項目預計2020年12月建成投產(chǎn)，建成后將達到共計80 MW的年產(chǎn)能。2020年4月，根據(jù)浙江湖州長興縣人民政府公示，龍焱將與浙能集團合資在該地區(qū)新建三條共計年產(chǎn)能360 MW的碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)線，此次新建的一期項目為年產(chǎn)能120 MW的生產(chǎn)線。

產(chǎn)品：包括標準組件S1、S2、S4等系列，產(chǎn)品尺寸為1200 mm×600 mm，功率85～110 W。還包括可應用于建筑的中空夾膠組件、大面積透光組件、彩色透光組件等，能夠更好地應用于建筑玻璃發(fā)電。

（2）凱盛集團

成都中建材光電材料有限公司（下稱成都中光電）隸屬凱盛集團，前身為成都中光電阿波羅太陽能有限公司，成立于2009年，2013年完成現(xiàn)有名稱變更，致力于碲化鎘發(fā)電玻璃的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。2009年，成都中光電阿波羅建成國內(nèi)第一條5 MW碲化鎘薄膜太陽能電池試驗線，但該線并不成熟，生產(chǎn)效果不佳。為彌補技術(shù)不足，2011年，凱盛所屬的中建材集團收購德國CTFSolar公司，其主要技術(shù)團隊來自擁有碲化鎘工藝原創(chuàng)技術(shù)的德國AntecSolar公司。2017年10月，成都中光電建成第一條擁有自主知識產(chǎn)權(quán)工業(yè)4.0的大面積碲化鎘薄膜太陽能電池示范生產(chǎn)線，年產(chǎn)能100 MW，于2018年1月正式投產(chǎn)，獲得了極佳的社會反響。

此后，凱盛集團碲化鎘電池項目在全國開始大規(guī)模擴張。2017年12月8日，凱盛集團山東泰州碲化鎘薄膜太陽能電池項目開工，總規(guī)劃年產(chǎn)能1 GW，在建一期項目200 MW；同年12月28日，河北邯鄲項目開工，年產(chǎn)能300 MW。2019年10月8日，凱盛集團黑龍江佳木斯碲化鎘薄膜太陽能電池項目開工，年產(chǎn)能100 MW；同年10月28日，湖北株洲項目開工，總規(guī)劃年產(chǎn)能1 GW，在建一期項目300 MW；12月26日，四川雅安項目開工，總規(guī)劃年產(chǎn)能600 MW，在建一期項目300 MW。2020年4月2日，凱盛集團山東青島項目簽約，總規(guī)劃年產(chǎn)能600 MW，在建一期項目300 MW；同年4月10日，安徽蚌埠項目簽約，總規(guī)劃年產(chǎn)能600 MW，在建一期項目300 MW。據(jù)悉，未來三年凱盛集團總規(guī)劃產(chǎn)能共計將達5 GW。據(jù)以上公開信息統(tǒng)計，目前已規(guī)劃產(chǎn)能3.8 GW，在建產(chǎn)能1.8 GW，在產(chǎn)產(chǎn)能100 MW。

產(chǎn)品：尺寸為1200 mm×1600 mm，功率250 W，目前已成功應用于國內(nèi)外多個項目。

（3）中山瑞科新能源有限公司

中山瑞科新能源有限公司（下稱瑞科）成立于2015年，由明陽智慧能源集團股份公司投資控股。2018年6月，該公司首條100 MW生產(chǎn)線在廣東中山投產(chǎn)。2020年3月，瑞科加大在中山投資規(guī)模，規(guī)劃新建5條年產(chǎn)能共計1 GW的生產(chǎn)線。

產(chǎn)品：尺寸為1200 mm×600 mm，功率105～115 W。還包括可應用于建筑的中空組件、大面積透光組件、彩色透光組件等，能夠更好地應用于建筑玻璃發(fā)電。

表2為我國企業(yè)產(chǎn)品與FirstSolar產(chǎn)品性能對比。

表2 我國企業(yè)產(chǎn)品與FirstSolar產(chǎn)品性能對比

4 結(jié)語

從產(chǎn)業(yè)角度來說，國外FirstSolar公司以及國內(nèi)龍焱能源、凱盛集團和中山瑞科為代表的企業(yè)均在不同程度的擴大產(chǎn)能，搶占市場先機。目前，碲化鎘薄膜太陽能電池行業(yè)不論是在產(chǎn)品技術(shù)、產(chǎn)能規(guī)模還是市場份額方面，F(xiàn)irstSolar依然是全球最領(lǐng)先的企業(yè)，且優(yōu)勢明顯。但未來五至十年，隨著我國企業(yè)技術(shù)的進步和新建產(chǎn)線的不斷投產(chǎn)運營，全球碲化鎘薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)將打破FirstSolar一家獨大的現(xiàn)狀，形成我國企業(yè)與其分庭抗禮的新局面。

從應用角度來說，除光伏電站外，光伏建筑一體化（BIPV）是未來最主要的應用領(lǐng)域。碲化鎘代表的薄膜電池明顯更適應BIPV市場的需求，憑借先進的技術(shù)，BIPV可以完美地融入建筑外殼中，并充分參與建筑表達，具有建筑節(jié)能、造能以及美學的所有特征。此外，在汽車、電子設備等領(lǐng)域，碲化鎘薄膜太陽能電池也同樣具有巨大的應用潛力。