今年8月29日，在第三屆碲化鎘材料與太陽(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際研討會(huì)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(yáng)能電池雙玻組件。這一產(chǎn)品發(fā)布是當(dāng)時(shí)已知國(guó)際上面積最大的碲化鎘薄膜組件。此前，國(guó)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(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際研討會(huì)和中國(guó)光伏大會(huì)上，美國(guó)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(shí)聲稱(chēng)，該產(chǎn)品即將在2018年正式推出，并已開(kāi)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(shì)。在這種情況下，薄膜電池產(chǎn)品面積更大會(huì)有哪些優(yōu)勢(shì)？能夠帶來(lái)哪些機(jī)遇？還存在什么問(wèn)題？是否對(duì)晶硅技術(shù)帶來(lái)影響？引起業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。

材料性能優(yōu)勢(shì)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(jiàn)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率與能帶寬度關(guān)系的計(jì)算表明CdTe的能隙1.5eV與地面太陽(yáng)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?/span>

　　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(shí)一般不會(huì)超過(guò)100℃，因此在正常使用中CdTe不會(huì)分解擴(kuò)散。而且CdTe不溶于水，因此在生產(chǎn)和使用過(guò)程中穩(wěn)定安全。

　　4.在真空環(huán)境中溫度高于400℃時(shí)，CdTe固體會(huì)出現(xiàn)升華，直接通過(guò)固體表面形成蒸汽；溫度低于400℃，或者環(huán)境氣壓升高時(shí)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(guò)程中的安全性。

　　5.碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.2%/℃至-0.3/℃，比晶體硅太陽(yáng)能電池低一半左右。且其吸收邊避開(kāi)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(duì)弱光的敏感度高，具有較好的弱光效應(yīng)，所以其發(fā)電時(shí)間比晶硅電池長(zhǎng)的多。

　　由于碲化鎘材料的天然優(yōu)勢(shì)，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(shuō)，如果說(shuō)薄膜電池里有可以在地面電站市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中生存下來(lái)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(gè)問(wèn)題是電池的電壓輸出都不太理想。碲化鎘電池開(kāi)路電壓的理論值為1.2V，相對(duì)這一理論值，一般只能做到高于0.8V，但不超過(guò)0.9V。這可能帶來(lái)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(wèn)。但是近幾年，國(guó)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(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的WyattMetzger團(tuán)隊(duì)在碲化鎘單晶晶體電池上，已經(jīng)把電池的開(kāi)路電壓率先做了超過(guò)1V。2016年美國(guó)艾利桑娜州立大學(xué)的Yong-HangZhang團(tuán)隊(duì)在分子束外延生長(zhǎng)的碲化鎘單晶薄膜電池上，也將電池的開(kāi)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(yáng)電池的。各碲化鎘薄膜電池研究團(tuán)隊(duì)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(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上，就公布了他們通過(guò)改善CdTe多晶薄膜的p型摻雜，已經(jīng)將電池的開(kāi)路電壓提高到了900mV以上。

　　中國(guó)科學(xué)院電工研究所劉向鑫研究員說(shuō)：“目前，國(guó)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(kāi)路電壓超過(guò)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(guò)程中會(huì)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(jí)，生產(chǎn)線(xiàn)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(gè)過(guò)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(chǎng)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(gè)事實(shí)看出來(lái)：2011年以來(lái)實(shí)驗(yàn)室效率連續(xù)9次的快速提升和2015年以來(lái)開(kāi)路電壓多次突破1V。一個(gè)發(fā)展空間已經(jīng)形成?！?/span>

差異化生存的必要

　　國(guó)內(nèi)對(duì)碲化鎘技術(shù)曾經(jīng)有偏見(jiàn)，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(wèn)題早在是十幾年前，F(xiàn)irstSolar公司決定商業(yè)化的時(shí)候已經(jīng)解決。

　　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(lái)需要避開(kāi)和晶體硅的直接競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)大面積產(chǎn)品的需求就是薄膜電池應(yīng)該瞄準(zhǔn)的一個(gè)差異化的市場(chǎng)，對(duì)產(chǎn)品面積需求越來(lái)越大會(huì)成為一個(gè)趨勢(shì)。

　　2017年中國(guó)的分布式光伏開(kāi)始快速發(fā)展，成為爆發(fā)式發(fā)展的一個(gè)起點(diǎn)，而晶體硅技術(shù)無(wú)法完全滿(mǎn)足市場(chǎng)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(shì)。在許多有陰影遮擋的場(chǎng)所，分布式光伏對(duì)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(shì)。因此，BIPV對(duì)薄膜電池的需求將會(huì)越來(lái)越大，對(duì)薄膜電池尺寸的要求也會(huì)越來(lái)越大，大面積的薄膜電池產(chǎn)品將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

　　當(dāng)生產(chǎn)的薄膜組件面積越來(lái)越大，它能夠被應(yīng)用的場(chǎng)所就會(huì)越來(lái)越廣泛。劉向鑫這樣說(shuō)：“這是一個(gè)生產(chǎn)創(chuàng)造需求的過(guò)程，而不是相反。我們可以看到，目前，無(wú)論是成都中建材新上生產(chǎn)線(xiàn)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(duì)于分布式光伏的應(yīng)用來(lái)講還是很不夠的，還沒(méi)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(jí)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(chǎng)。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(chǎng)，這是容易被理解的?！?/span>

　　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(huì)帶來(lái)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(huì)越高。但是大面積組件的生產(chǎn)工藝要求更高。

　　“一直以來(lái)有一種說(shuō)法，就是光伏組件的尺寸不能太大，至少需要一到兩個(gè)工人可以抬得動(dòng)的尺寸。但是在自動(dòng)化安裝機(jī)械出現(xiàn)之后，這種顧慮對(duì)地面電站已經(jīng)變得沒(méi)有必要，對(duì)于應(yīng)用于建筑的BIPV產(chǎn)品更是如此，因?yàn)榻ㄖＡУ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(gè)趨勢(shì)是必然的。而B(niǎo)IPV市場(chǎng)對(duì)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。

國(guó)內(nèi)的力量--成都中建材

　　成都中建材值得關(guān)注。成都中建材不但碲化鎘薄膜生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃大，而且不是簡(jiǎn)單的照搬國(guó)外技術(shù)，而是做了工業(yè)4.0的生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

　　做大面積的薄膜組件不同于晶體硅組件，不是簡(jiǎn)單的加法，因?yàn)榧词故谴竺娣e的薄膜產(chǎn)品也都是一次性成膜，對(duì)各種工業(yè)之間的關(guān)聯(lián)控制，對(duì)缺陷的控制要求比小面積產(chǎn)品的生產(chǎn)高得多。成都中建材此次大面積產(chǎn)品的下線(xiàn)是在技術(shù)上的重要突破。成都中建材的生產(chǎn)線(xiàn)全部自己投資，在投入上下了很大決心，并且不是簡(jiǎn)單的模仿國(guó)外的生產(chǎn)線(xiàn)，引入了智能制造的設(shè)計(jì)，將來(lái)生產(chǎn)工藝的提升會(huì)更快。

　　成都中建材通過(guò)碲化鎘技術(shù)進(jìn)入光伏市場(chǎng)，也避開(kāi)了晶體硅產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重的問(wèn)題，避開(kāi)地面電站市場(chǎng)而走向BIPV市場(chǎng)，也就避開(kāi)了激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)發(fā)展前景看好。

配套晶硅 建立產(chǎn)業(yè)鏈

　　對(duì)于碲化鎘技術(shù)未來(lái)如何發(fā)展，熊剛說(shuō)：“大面積組件的系統(tǒng)造價(jià)更低，組件的本身效率也會(huì)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(duì)供應(yīng)鏈沒(méi)有特殊的要求。

　　有國(guó)內(nèi)碲化鎘專(zhuān)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(chǎng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以將為晶體硅產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(chǎng)家專(zhuān)門(mén)針對(duì)薄膜產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，可以有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的安裝成本。

　　碲化鎘技術(shù)在我國(guó)發(fā)展還需要配套的產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)內(nèi)光伏專(zhuān)家這樣認(rèn)為，光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近十來(lái)年的發(fā)展，基本達(dá)成這樣的共識(shí)，就是任何一種光伏的技術(shù)要在市場(chǎng)上生存下來(lái)，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(duì)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(guó)的碲化鎘技術(shù)現(xiàn)在缺的就是配套的產(chǎn)業(yè)鏈?！?/span>

　　用業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的看法作為結(jié)語(yǔ)：碲化鎘是一種上天恩賜給人類(lèi)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(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，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(wèn)題提供高附加值的技術(shù)解決路徑。