碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

范文濤，朱 劉

廣東先導(dǎo)稀材股份有限公司，先進(jìn)材料研究院，廣東 清遠(yuǎn) 511517

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

范文濤，朱 劉

廣東先導(dǎo)稀材股份有限公司，先進(jìn)材料研究院，廣東 清遠(yuǎn) 511517

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一．本文闡述了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的特性，介紹并探討了國(guó)內(nèi)外碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展．

碲化鎘；太陽(yáng)能電池；研究現(xiàn)狀

二十一世紀(jì)世界各國(guó)加速發(fā)展各種可再生能源，希望可以解決日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)、能源枯竭和環(huán)境污染等全球性危機(jī)．太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)是未來(lái)能源的一個(gè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，亦是國(guó)家和地方政府大力扶植的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)潛力巨大．目前，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)主要產(chǎn)品是硅系太陽(yáng)能電池，占市場(chǎng)總額的80%以上[1]，但晶硅電池的高成本和生產(chǎn)過(guò)程的高污染等問題一直困擾著太陽(yáng)能電池市場(chǎng)，隨著薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)薄膜太陽(yáng)能電池將成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用．目前有市場(chǎng)前景的薄膜太陽(yáng)能電池主要有三種，分別是非晶硅、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池，而碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池是其中的佼佼者，與傳統(tǒng)的單晶硅太陽(yáng)能電池相比，其具有成本低，弱光性更好等優(yōu)勢(shì)．除了光伏發(fā)電之外，未來(lái)薄膜電池還可以應(yīng)用于汽車、手機(jī)等設(shè)備上，其發(fā)展前景極為可觀．

1 碲化鎘太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)

CdTe薄膜太陽(yáng)電池與其他化合物薄膜電池相比具有以下特點(diǎn)：(1)CdTe的禁帶寬度(約1.45 eV)與太陽(yáng)能光譜相匹配，高于硅材料100倍的吸收系數(shù)等材料特性，適合制備高效薄膜太陽(yáng)電池，其理論轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化率為28%[2]；(2)CdTe相比硅材料具有功率溫度系數(shù)低和弱光效應(yīng)好等特性，表明碲化鎘太陽(yáng)能電池更適于沙漠、高溫等復(fù)雜的地理環(huán)境，以及在清晨、陰天等弱光環(huán)境下也能發(fā)電；(3)CdTe屬于簡(jiǎn)單的二元化合物，易生成單相材料，已有多種技術(shù)可制備10%以上的CdTe小面積電池，其中CSS(近距離升華)[3]和VTD(氣相輸運(yùn)沉積)[4]技術(shù)具有沉積速率高、原材料利用率高、生產(chǎn)成本低，以及所制備的膜質(zhì)好、晶粒大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)．

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其生產(chǎn)時(shí)間與硅系太陽(yáng)能相比大大縮短，只需幾小時(shí)就可以完成由玻璃到成品的出貨．目前組件成本可做到0.5美元/W左右，當(dāng)組件效率上升，成本還有進(jìn)一步下降的空間．

2 碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能電池的發(fā)展已經(jīng)走進(jìn)了第三代，以碲化鎘為代表的化合物薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速．國(guó)際上碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的研究和制造十分活躍，在1963年，Cusano[5]研制出了以碲化鎘為n型和以碲化亞銅為p型結(jié)構(gòu)的電池，其光電轉(zhuǎn)化效率為7%，這無(wú)疑是碲化鎘薄膜電池的一個(gè)開端．在1982年，Tyan等人[6]用化學(xué)沉積方法在CdTe上蒸鍍一層CdS，首次制備出異質(zhì)結(jié)構(gòu)p-CdTe/n-CdS薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10%，這是現(xiàn)在CdTe薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化的原型．在1993年，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)科研人員采用近空間升華法制備出 CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率為15.8%[7]．在2004年，我國(guó)學(xué)者吳選之[8]制備出碲化鎘太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16.5%．慢慢地碲化鎘薄膜材料逐漸被認(rèn)為是一種高效、廉價(jià)的太陽(yáng)能電池材料，也開始由實(shí)驗(yàn)室研究階段走向規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)．目前，美國(guó)的First Solar公司憑借這方面的技術(shù)已經(jīng)奠定了全球薄膜光伏的龍頭地位，該公司受益于研發(fā)費(fèi)用的投入，碲化鎘太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率逐年增長(zhǎng)，在2016年初生產(chǎn)的碲化鎘太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到22.1%，并還有進(jìn)一步提升的空間．

碲化鎘光伏電池中由于存在鎘元素，產(chǎn)品在使用過(guò)程中人們一直擔(dān)憂其是否對(duì)人體有害，對(duì)此學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究．根據(jù)美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)報(bào)告[9]，CdTe 薄膜組件中CdTe用量很小，1 MW的CdTe組件僅需約250 kg的CdTe．CdTe被密封在兩塊玻璃之間，常溫下沒有Cd的釋放，即使在1100 ℃的高溫下，99.96%的CdTe都被熔化的兩塊玻璃封住而沒有泄露．比較其他幾種太陽(yáng)電池及其它能源，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的鎘排放量?jī)H為0.3 g/GWh，而多晶硅的為0.6 g/GWh、單晶硅的為0.7 g/GWh、煤炭的為3.7 g/GWh、石油的為44.3 g/GWh，在CdTe太陽(yáng)電池組件制備和使用全壽命期內(nèi)，總的鎘釋放量最低、最為安全．劉向鑫等人[10]結(jié)合中國(guó)實(shí)際國(guó)情，對(duì)碲化鎘產(chǎn)業(yè)鎘的排放問題進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碲化鎘光伏發(fā)電形式的鎘總排放率只有火力發(fā)電的1/13，表明CdTe不同于元素鎘，其是穩(wěn)定的化合物，能被安全使用，碲化鎘光伏產(chǎn)品是環(huán)保友好的．在重視環(huán)保的美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，碲化鎘太陽(yáng)電池的研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)一直得到很好地發(fā)展．

碲化鎘中的碲為稀有金屬，碲化鎘薄膜電池每年耗碲約120 t，業(yè)內(nèi)部分人士擔(dān)心Te資源不足給碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池未來(lái)的發(fā)展造成障礙[11]．目前全世界碲儲(chǔ)量有40～50 kt，世界碲產(chǎn)量約400～600 t/a[12]，人們擔(dān)心碲的產(chǎn)量滿足不了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的需要．當(dāng)碲化鎘薄膜層厚度約為3 μm，組件轉(zhuǎn)化率在10%的情況下，每1 GW的CdTe組件將要消耗100 t碲，但隨著技術(shù)的發(fā)展，碲化鎘薄膜厚度將更薄，組件轉(zhuǎn)化率將進(jìn)一步提高，接近其理論效率，每1 GW的CdTe組件消耗碲含量將大幅降低；當(dāng)大規(guī)模組件效率達(dá)到15%，厚度減少到0.2 μm時(shí)，每1 GW的消耗碲含量只需4.4 t[13]．碲資源的消耗的問題不應(yīng)該靜態(tài)的去看待，毋庸置疑，隨著科學(xué)技術(shù)的提升碲的消耗量將大大降低．同時(shí)，碲資源的回收利用將大大緩解資源不足的情況．

3 碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

目前，全球范圍內(nèi)具備能夠量產(chǎn)碲化鎘薄膜電池組件技術(shù)的企業(yè)有美國(guó)的第一太陽(yáng)能公司、德國(guó)的Calyxo公司以及中國(guó)的龍焱能源等．美國(guó)第一太陽(yáng)能公司First Solar是薄膜電池的龍頭企業(yè)，成立于1998年，2002年生產(chǎn)出第一塊光伏電池產(chǎn)品后就以驚人速度擴(kuò)張，短短幾年其產(chǎn)量翻翻，并在2006年底在美國(guó)納斯達(dá)克上市，代號(hào)FSLR．從First Solar公司2015年的年報(bào)中可以看出[13]：該公司實(shí)驗(yàn)室制造的碲化鎘組件效率首次超越多晶硅組件轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的18.6%，其實(shí)驗(yàn)室電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到21.5%，并在2016年刷新了其原有記錄達(dá)到22.1%；其量產(chǎn)組件的轉(zhuǎn)換效率也是逐漸增長(zhǎng)，從2006年的9.5%到2011年的11.9%，再到2015年的15.6%；該公司2015年的光伏組件產(chǎn)量達(dá)到了2.5 GW，銷售量達(dá)36億美元，其碲化鎘薄膜光伏組件產(chǎn)量約占全球碲化鎘薄膜光伏組件總產(chǎn)量的95%以上．德國(guó)CalyxoGmbH公司成立于2005年，是一家生產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件制造商和光伏發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)商，在德國(guó)擁有25 MW和60 MW兩條碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)線，2012年Calyxo公司碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的生產(chǎn)成本約為0.8美元/W，中期的目標(biāo)是將生產(chǎn)成本降低到0.5美元/W，目前該公司碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.4%，其實(shí)驗(yàn)室電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)16.2%，并得到德國(guó)SGS測(cè)試機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證[14]．

國(guó)內(nèi)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能研究及產(chǎn)業(yè)化起步較晚，目前處于初期階段．2001年四川大學(xué)太陽(yáng)能組研制出碲化鎘太陽(yáng)電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.6%，并建立了全部由中國(guó)生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成的0.3 MW 中試生產(chǎn)線[15]．2012年龍焱能源建立了一條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全國(guó)產(chǎn)化、全自動(dòng)化的30 MW碲化鎘薄膜電池組件生產(chǎn)線，生產(chǎn)的組件平均效率達(dá)到了11.4%，并具有良好的穩(wěn)定性；2014年龍焱能源制備的碲化鎘組件產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13%，并得到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)認(rèn)證，其組件產(chǎn)品系列已獲得美國(guó)、歐洲、澳大利亞等全球各地知名認(rèn)證機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品認(rèn)證[16]．

2015年美國(guó)第一太陽(yáng)能碲化鎘光伏產(chǎn)品產(chǎn)量產(chǎn)量達(dá)到2.5 GW，而國(guó)內(nèi)碲化鎘產(chǎn)品占光伏市場(chǎng)的容量很少，因此碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)成長(zhǎng)空間很大，有著非常好的市場(chǎng)前景．

4 結(jié) 語(yǔ)

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、功率溫度系數(shù)低、弱光效應(yīng)好、易制備、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在光伏市場(chǎng)上占有一席之地．目前，研究人員和生產(chǎn)廠商研究的焦點(diǎn)仍是降低生產(chǎn)成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)業(yè)化的升級(jí)將進(jìn)一步提高碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的競(jìng)爭(zhēng)力．國(guó)內(nèi)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化仍存在很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景．

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Research progress of cadmium telluride thin film solar cells

FAN Wentao，ZHU Liu

ResearchDevelopmentofAdvancedMaterials，VitalMaterialsCo.，Ltd.，Qingyuan511517，China

Cadmium telluride thin film solar cells has become a hot spot in the global photovoltaic research field. This paper gives a brief of the characteristics of CdTe thin film solar cells, introduces the CdTe at home and abroad research status and industrial progress in the field of thin film solar cells.

cadmium telluride, solar cells, research progress

2016-10-11

范文濤(1987-)，男，江西豐城人，工程師，碩士.

1673-9981(2017)01-0006-03

TK51

A