碲化镉薄膜电池风云再起

2017年对碲化镉太阳能电池而言注定是不平凡的一年。在国际上First Solar产品和晶硅组件继续互别风骚。
摩尔光伏     2017-11-9 11:04:06


  碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池组件曾经因镉的毒性问题备受争议,美国薄膜电池制造商First Solar在2017中国光伏学术大会的发言中表示,这一问题其实在十几年前碲化镉组件产品商业化的时候已经得到解决。事实上,双玻璃封装的CdTe组件已经通过了各种环境测试,在欧美日及中国都得到广泛接受。对碲化镉太阳组件安全性的确认是来自于以下几个方面的考虑:CdTe不溶于水,即便CdTe组件破碎,亦不会造成水污染。Cd是Zn的伴生矿,对Cd的有效利用,降低了采矿过程中的污染;燃煤发电排出Cd和Hg,远超过CdTe组件里Cd的含量;独立第三方的分析认为CdTe组件里的Cd和晶硅组件里的Pb对环境的影响相当;在酸性条件下,Pb的溶解率远高于CdTe;First Solar公司自成立以来员工所有血液、尿液检测,Cd含量都低于安全阈值。

  碲化镉薄膜电池是在玻璃或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,这种电池是在玻璃衬底上由五层结构组成,即透明导电氧化物层(TCO层)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极层。

  碲化镉薄膜电池以P型CdTe和N型异质结为基础,具有以下主要特点:1、CdTe是一种II-VI族化合物半导体,吸收率高,仅1微米(μm)厚就可以吸收90%以上的可见光,是单晶硅的1/100,非常适合于制作成薄膜太阳电池的吸收层,是实现低成本和低能耗的重要前提。2、CdTe为直接带隙材料,其能隙为1.5eV,对理想太阳能电池转换效率与能带宽度关系的计算表明,它与地面太阳光谱匹配得很好,理论效率高达28%~29%。技术发展潜力很大。3、CdTe因Cd-Te化学键的键能高达5.7eV,是含镉材料中最稳定的形态,因此在常温下化学性质稳定。其熔点高达1041℃,饱和蒸汽压在低于350℃时很低。在正常日照下CdTe不会分解扩散,再加上它不溶于水,因此在使用过程中稳定安全。4、在真空环境中温度高于400℃时,CdTe固体会出现升华,分解成碲和镉的蒸汽;温度低于400℃,或者环境气压升高时升华迅速减弱,碲、镉蒸汽会化合凝聚成固体。这一特性,有利于真空快速薄膜制备,如近空间升华(CSS)、气相输运(VTD),而真空室内的制备过程又保证了CdTe薄膜生产过程的安全性。5、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,其发电量比标称功率相同的晶硅电池多,也更适合于高温环境。6,碲化镉薄膜太阳能电池组件的光谱吸收不覆盖水蒸汽的吸收峰,因此不会像晶硅组件一样在潮湿气候下发电输出下降。

  然而,尽管碲化镉薄膜电池受到了光伏行业的关注,但它的发展却经历了漫长的过程。在这个过程中,中国人和它很有缘分。上世纪九十年代初,在美国南佛罗里达大学(SFU)任教的T.L.Chu和他的学生,多次取得技术突破,采用CSS技术创造了15.8%的世界纪录而引人瞩目;不到两年,在美国国家可再生能源实验室(NREL)工作的吴选之,也用CSS技术创造了16.7%的新纪录。CSS技术显示出的优越性,吸引了众多的研究者。与此同时,美国有四家公司各自使用自己发展的技术实施碲化镉薄膜电池的产业化。但到了上世纪末,几家采用非真空技术的企业先后关闭了生产线。而在德国,堪称先驱的德国ANTAC公司也关闭了CSS技术的CdTe组件生产线。令人惋惜的是,这第一次CdTe太阳电池产业化的风云就此渐渐散去;但这并非结局,创造了VTD技术的First Solar公司(FS),凭借这项技术的巨大优越性而硕果仅存。

  本世纪初叶,晶体硅太阳电池迎来了迅猛发展的黄金期。幸运的是,高纯多晶硅的紧俏给了First Solar更好的机会。在2005年后,该公司的产能大增,不仅出货量保持全球前三,还成为所有太阳电池上市企业的翘楚:单支股值和公司市值都是第一。如此优秀的榜样,又发动众多企业掀起了CdTe太阳电池产业化的浪潮,先后有十多条采用CSS技术的生产线应运而生。其中,通用电器公司(GE)以每年一亿多美元的投入,大力推进CSS技术,计划先取得小面积电池技术的突破,再建立180MW的生产线。First Solar自然不甘落后,也以上百人的研发队伍,上亿美元的年度研发经费,全面发展小面积电池和大面积组件的制造技术。随着美国NREL保持了十年的最高效率被打破,这两家公司你追我赶,频频互破对方刚创造的新纪录。面对如此令人兴奋的激烈竞争,如此令人鼓舞的迅速发展,那十多条生产线陆陆续续停止了运行。这个局面延续到了2013年夏天,在GE取得了19.6%的新纪录后不久,如火如荼的对抗赛戛然而止,他们合作了!风云消散,喜剧开场。


  近几年来,FirstSolar在碲化镉薄膜电池技术领域中继续处于领先地位,但因受到晶体硅太阳电池技术的强劲挑战,不敢懈怠。从First Solar加州研发中心主任熊刚在2017年中国光伏学术大会上的发言得知,First Solar公司的多晶碲化镉薄膜半导体组件目前全球安装总量超过18GW,第四代产品转换效率达到17%,实验室制备的电池转化效率达到22.1%,第六代碲化镉产品生产线预计在2018年投产,组件转换效率将达到18%。会后不久,9月13日First Solar正式宣布,第六代碲化镉太阳电池组件已经下线,面积为2009mm×1232mm,组件功率高达445W。这无疑是一个重磅消息。熊刚坦承,这个进展是晶体硅电池倒逼的结果,是同行竞争的结果。

  在传统VTD与CSS技术路线之外,ReelSolar公司坚持开发非真空的电沉积技术制备CdTe电池。小面积电池效率达到了17.5%,沉积时间缩短至15min。这说明CdTe电池可以通过多技术并进,多头技术创新的方式实现规模化生产,可以为科研技术工作者提供大量的的创新空间。

  国际上对碲化镉薄膜电池的研究取得了很大进展。随着短路连流密度接近理论极限值,研究重点已转移到提高CdTe多晶薄膜电池的开路电压。2016年来,多家机构的单晶CdTe电池开路电压已超过1V。方向之一是提高CdTe薄膜p型掺杂浓度,达到10161017/cm-3,比效率为22.1%的冠军CdTe电池掺杂浓度高2个数量级。

  方向之二是提高多晶薄膜的载流子寿命,有人制备的CdSeTe,载流子寿命达到490ns至770ns,与单晶CdTe的相当。一个引人瞩目的结果是,美国ArizonaStateUniversity的ZhangYong-Hang团队采用MBE外延,沉积出厚度为1000~1500nm的n型CdTe层,与p型氢化非晶硅碳薄膜(a-SiCy:H)构成异质结太阳电池,成功地获得了20.3%的转换效率和1.12V的开路电压。其CdTe吸收层的载流子寿命提高到了3.6微秒,超过了现有单晶GaAs薄膜的水平。四川大学的冯良桓对此有这样的评论:这项工作的价值,不仅是高开路电压加高转换效率,而是碲化镉层如此之薄,仅为现有CdTe电池的三分之一。这套技术为减少对稀散元素碲的消耗开辟了可行途径,为CdTe电池产业的持续长跑做出了难以估量的贡献!至此,国际上对效率达25%的CdTe电池的技术路线已经清晰。

  国内的碲化镉薄膜电池研究在追赶First Solar的过程中不断创新。近两年,中科院电工所刘向鑫团队将介电极化效应引入CdTe电池,取得的进展预示出新型光电转换机制的存在。长期从事CdTe电池研究的中国科技大学王德亮团队,采用钼做背电极和氧化钼作背接触层,大大提高了CdTe电池的稳定性。上世纪九十年代便在国内开展CdTe电池研究的四川大学太阳能材料与器件研究所,有了建立两代CdTe电池组件生产线的经验,有了使用CSS技术和开发、改善VTD技术的经验,继续致力于CdTe电池新结构和产业化研究。今年,使用VTD技术研制的CdTe电池,经权威单位检测,效率为17.01%。

  相对于国外,国内碲化镉薄膜电池产业化的风头正劲。成都中建材光电材料有限公司十来年,坚持碲化镉太阳电池的产业化,不断修改实施途径。前两年,他们收购了德国CTFSolar并签下了整个技术团队。实践证明,这是个正确的做法。CTF公司一边进行碲化镉薄膜太阳能电池生产线的设计,一边研制小面积太阳电池;最好的电池经自己测试,效率达到17.8%。该公司的科学家Dr.K.Velappan是原来ANTAC公司的主研人员,他在2017年8月29日的中国光伏学术大会第三届碲化镉研讨会上,介绍了他们如何将ANTAC技术升级为年产80兆瓦、组件面积1.2mx1.6m的CdTe电池生产线。2017年9月19日,中国建材集团官网以“世界首块大面积碲化镉薄膜弱光发电玻璃成功下线”为题发布了如下信息:“日前,凯盛科技旗下成都中建材光电材料有限公司生产的世界第一块大面积碲化镉薄膜弱光发电玻璃在四川成都成功下线,标志着中国首条具有国际先进水平的年产80兆瓦碲化镉薄膜弱光发电玻璃工业4.0示范生产线正式投产。现已实现实验室转换效率17.8%,小组件转换效率14.5%,达到国内领先水平。”

  本世纪初创造了全球碲化镉太阳电池最高效率的吴选之,在2007年回国后创建了龙焱能源科技股份有限公司(下称“龙焱能源”)。这是一家致力于在中国国内实现高效碲化镉薄膜太阳电池技术产业化的企业,拥有完全独立自主知识产权的整套碲化镉组件的生产工艺和核心设备,建立了一条全自动化、全国产化、年设计产能为30MW的碲化镉薄膜太阳电池组件生产线。这条生产线首次采用了龙焱能源研发成功的新型电池结构,新材料(如新型缓冲层、窗口层和背电极)以及改良型近距离升华法(CSS)沉积大面积碲化镉薄膜技术。生产线上用的四十余台生产设备全部实现国产化。目前,龙焱能源碲化镉薄膜技术的成本在30美分(2元人民币)以下,量产组件效率约为13%,并能实现废旧资源80%以上的碲和镉的回收。今年初,该公司给《2017年中国光伏技术发展报告》编委会提供的资料表明,他们在实验室研制的CdTe电池经美国NREL测试,效率为17.33%。

  龙焱能源是唯一可以制造高效透光CdTe电池组件的公司。龙焱能源共同创始人、营销总监包钢介绍,国家大剧院舞美基地的光伏幕墙和光伏采光顶,中国的光伏博物馆的墙体和整个建筑的顶面都是采用龙焱能源碲化镉薄膜组件实现的。去年,深圳赛格和龙焱能源等4家公司共同投资成立了深圳赛格龙焱能源科技有限公司。目前正在进行着建立年产50兆瓦CdTe电池生产线的工作。

  2017年对碲化镉太阳能电池而言注定是不平凡的一年。在国际上First Solar产品和晶硅组件继续互别风骚。特别是First Solar推出的第六代组件在今年9月份拉斯维加斯展会上博足眼球。公司第三季度业绩远超预期,拉动股票大幅上涨;在国内工业和学术界,碲化镉电池的学术研究和商业应用经过多年的厚积薄发,终于风起云涌,取得显著进展。展望将来,我们可以确信:碲化镉电池组件必将会被更广范的接受和应用,必将和晶硅组件一起成为未来光伏发展的两个重要支撑点。

 

  • 上一篇:单、多晶组件发电成本对比分析
  • 下一篇:中企加速布局 光伏产业成中越产能合作新亮点
  • 相关信息
  • ·2025年阿根廷新能源发电占比将达20%
  • ·未来20年全球可再生能源年均投资将达3500亿美元
  • ·宁夏未开工未建成风光发电项目超140万千瓦
  • ·60MW/240MWh!甘肃省首个电网侧储能项目开建
  • ·22个项目基地,11GW规模!2019年领跑者预测!
  • 关于我们 加入我们 相关法律 网站地图
    Copyright @2016-2017 摩尔光伏 Corporation, All Rights Reserved    
    京ICP备16060270号-1   商务合作