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优势明显!碲化镉或将“替补”晶硅市场

国际太阳能光伏网  来源:摩尔光伏  日期:2017-11-10
   今年8月29日,在第三届碲化镉材料与太阳能电池技术国际研讨会上,成都中建材光电材料有限公司发布了他们刚刚生产出的第一块面积达1.92m2(1.2mx1.6m),厚度为7mm的碲化镉薄膜太阳能电池双玻组件。这一产品发布是当时已知国际上面积最大的碲化镉薄膜组件。此前,国际上最大的单片碲化镉薄膜发电玻璃面积是0.72m2。
 
  同样在第三届碲化镉材料与太阳能电池技术国际研讨会和中国光伏大会上,美国FirstSolar公司宣布他们将于9月初发布的第六代(G6)碲化镉产品信息,其尺寸比前几代(G3、G4)产品更大,达到2.4m2(1.2X2m),最大可能地同晶硅组件安装零件匹配,减低成本。9月6日FirstSolar公司发布G6产品信息时声称,该产品即将在2018年正式推出,并已开始接受订单。
 
  领先的碲化镉薄膜电池企业的产品方向都明确的指向往大面积迭代的发展趋势。在这种情况下,薄膜电池产品面积更大会有哪些优势?能够带来哪些机遇?还存在什么问题?是否对晶硅技术带来影响?引起业内人士关注。
 
  材料性能优势明显
 
  碲化镉薄膜电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件。碲化镉薄膜电池以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础,具有以下主要特点:
 
  1.CdTe是一种IIB-VIA族化合物半导体,为直接带隙材料,吸收率高,只需要1μm(千分之一毫米)就可以吸收90%以上的可见光,是单晶硅所需厚度的1/100。制作成薄膜电池,吸收层材料的用量少,成本明显降低,且能耗也明显减少。
 
  2.理想太阳能电池转换效率与能带宽度关系的计算表明CdTe的能隙1.5eV与地面太阳光谱匹配得非常好,理论效率高达28%~29%,技术发展潜力很大。
 
  3.CdTe材料Cd-Te化学键的键能高达5.7eV,是镉元素在自然界中最稳定的化合态之一,因此在常温下化学性质稳定。其熔点高达1041℃,升华温度400℃;而电池组件运行时一般不会超过100℃,因此在正常使用中CdTe不会分解扩散。而且CdTe不溶于水,因此在生产和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,直接通过固体表面形成蒸汽;温度低于400℃,或者环境气压升高时升华迅速减弱,蒸汽凝聚成固体。这一特性,除了有利于真空快速薄膜制备,如近空间升华(CSS)、气相输运(VTD)外,还保证了CdTe在真空生产过程中的安全性。
 
  5.碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.2%/℃至-0.3/℃,比晶体硅太阳能电池低一半左右。且其吸收边避开了900nm附近的水蒸气吸收峰。所以更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。
 
  6.由于碲化镉薄膜电池的光谱响应范围较宽,吸收系数高,因此对弱光的敏感度高,具有较好的弱光效应,所以其发电时间比晶硅电池长的多。
 
  由于碲化镉材料的天然优势,以及在全球的发展实践,这项技术因其低成本、高转化效率和高稳定性逐渐被业内认同。有人说,如果说薄膜电池里有可以在地面电站市场的激烈竞争中生存下来的技术那么应该就是碲化镉。
 
  技术的突破
 
  以前,碲化镉技术面临的一个问题是电池的电压输出都不太理想。碲化镉电池开路电压的理论值为1.2V,相对这一理论值,一般只能做到高于0.8V,但不超过0.9V。这可能带来碲化镉材料是不是做高效光伏电池方面有天然缺陷的疑问。但是近几年,国外的实验室在基础研究方面取得了新的突破。2015年,美国可再生能源实验室的WyattMetzger团队在碲化镉单晶晶体电池上,已经把电池的开路电压率先做了超过1V。2016年美国艾利桑娜州立大学的Yong-HangZhang团队在分子束外延生长的碲化镉单晶薄膜电池上,也将电池的开路电压进一步提高到接近1.12V的水平,其某些性能甚至优于单晶砷化镓三五族材料,如载流子寿命大于3.6μs。那么,这就从基础研究方面充分证明了碲化镉材料的半导体光电性能是很适宜制备高效太阳电池的。各碲化镉薄膜电池研究团队正在积极研究将单晶碲化镉上取得的这些突破引入到低成本的多晶薄膜电池技术中,例如FirstSolar公司在第三届碲化镉材料与太阳能电池技术国际研讨会上,就公布了他们通过改善CdTe多晶薄膜的p型掺杂,已经将电池的开路电压提高到了900mV以上。
 
  中国科学院电工研究所刘向鑫研究员说:“目前,国外业界同行在技术方面的进步是很快的,碲化镉薄膜电池已经达到了实验室效率22.1%的水平。如果结合开路电压超过1V的技术,那么将很有希望把实验室的单结电池效率进一步提高到25%以上。当然这一过程中会有许多的技术创新和与产业化生产的磨合。不仅仅是产品需要迭代升级,生产线工艺和布局很可能都需要向更高技术迭代。我们至少可以看到,这个过程中的发展空间是很大的。碲化镉薄膜技术不仅在成本、效率、稳定性方面充分验证了自己的市场适应性,而且在基础研究方面为生产技术的进步提供了充足的发展空间,这一点可以清楚地从如下两个事实看出来:2011年以来实验室效率连续9次的快速提升和2015年以来开路电压多次突破1V。一个发展空间已经形成。”
 
  差异化生存的必要
 
  国内对碲化镉技术曾经有偏见,认为有毒。FirstSolar加利福利亚研究中心主任熊刚表示,其实,关于镉的毒性问题早在是十几年前,FirstSolar公司决定商业化的时候已经解决。
 
  而在晶体硅技术为主流技术的环境下,薄膜技术要想活下来需要避开和晶体硅的直接竞争。对大面积产品的需求就是薄膜电池应该瞄准的一个差异化的市场,对产品面积需求越来越大会成为一个趋势。
 
  2017年中国的分布式光伏开始快速发展,成为爆发式发展的一个起点,而晶体硅技术无法完全满足市场需求。尤其在光伏建筑一体化,即BIPV领域,薄膜技术有着不可替代的优势。在许多有阴影遮挡的场所,分布式光伏对碲化镉薄膜电池产品的需求愈加强烈。此外,碲化镉薄膜电池还有其他薄膜电池不可比拟的成本优势。因此,BIPV对薄膜电池的需求将会越来越大,对薄膜电池尺寸的要求也会越来越大,大面积的薄膜电池产品将成为新的发展趋势。
 
  当生产的薄膜组件面积越来越大,它能够被应用的场所就会越来越广泛。刘向鑫这样说:“这是一个生产创造需求的过程,而不是相反。我们可以看到,目前,无论是成都中建材新上生产线生产的5.5代,还是First Solar公司6代产品的面积,其实对于分布式光伏的应用来讲还是很不够的,还没有达到和建筑工程玻璃要求的水平。所以,我认为碲化镉薄膜电池的在向更大面积产品升级发展的空间很大。我们可以这样考虑,面积大的产品,可以根据实际应用需要向下切割成小面积,所以可以向下涵盖小面积产品的应用市场。但是面积小的产品却不一定能涵盖面积大的产品的应用市场,这是容易被理解的。”
 
  面积越大的薄膜组件可以有效利用的面积更大。因为薄膜组件是全面积覆盖,只有去边部分不能发电。而晶硅组件,电池片之间有一定的缝隙,会带来面积上的浪费。所以薄膜组件的面积越大,去边部分的占比越小,有效面积的比例就会越高。但是大面积组件的生产工艺要求更高。
 
  “一直以来有一种说法,就是光伏组件的尺寸不能太大,至少需要一到两个工人可以抬得动的尺寸。但是在自动化安装机械出现之后,这种顾虑对地面电站已经变得没有必要,对于应用于建筑的BIPV产品更是如此,因为建筑玻璃的安装更不可能依靠人力。为了降低安装成本,晶体硅产品早已从60片组件转向更大的72片组件,薄膜产品跟进这个趋势是必然的。而BIPV市场对大尺寸薄膜组件也有同样需求,因为需要符合建筑的工程规范。”刘向鑫如是认为。
 
  国内的力量--成都中建材
 
  成都中建材值得关注。成都中建材不但碲化镉薄膜生产线规划大,而且不是简单的照搬国外技术,而是做了工业4.0的生产设计。
 
  做大面积的薄膜组件不同于晶体硅组件,不是简单的加法,因为即使是大面积的薄膜产品也都是一次性成膜,对各种工业之间的关联控制,对缺陷的控制要求比小面积产品的生产高得多。成都中建材此次大面积产品的下线是在技术上的重要突破。成都中建材的生产线全部自己投资,在投入上下了很大决心,并且不是简单的模仿国外的生产线,引入了智能制造的设计,将来生产工艺的提升会更快。
 
  成都中建材通过碲化镉技术进入光伏市场,也避开了晶体硅产品同质化严重的问题,避开地面电站市场而走向BIPV市场,也就避开了激烈的市场竞争,未来发展前景看好。
 
  配套晶硅 建立产业链
 
  对于碲化镉技术未来如何发展,熊刚说:“大面积组件的系统造价更低,组件的本身效率也会更高。目前,FirstSolar公司在尺寸的选择上,已和晶硅组件的尺寸基本相当,所以这样能够最大程度上利用已经成熟的晶硅安装所用的设备,例如支架等。这就对供应链没有特殊的要求。
 
  有国内碲化镉专家也认为,碲化镉薄膜技术要想发展,必须要适应现有市场的产品设计,可以将为晶体硅产品设计的平衡系统部件应用在薄膜产品上。这样就避免了相关厂家专门针对薄膜产品进行设计和生产,可以有效地降低整个系统的安装成本。
 
  碲化镉技术在我国发展还需要配套的产业链。国内光伏专家这样认为,光伏产业经过近十来年的发展,基本达成这样的共识,就是任何一种光伏的技术要在市场上生存下来,必须要有三条腿,这三条腿分别是效率、成本和稳定性,这三条腿都需要站得稳,才能够做得好。对于碲化镉技术,三条腿理论应该再加一条,就是需要有配套的产业链,我国的碲化镉技术现在缺的就是配套的产业链。”
 
  用业内专家的看法作为结语:碲化镉是一种上天恩赐给人类的清洁能源材料,既具有优良的光电转化效率和地面光伏应用所需的诸多优点,又天然适合大规模工业生产。对中国来说,能够为解决传统冶炼产业造成的重金属副产品处置问题提供高附加值的技术解决路径。
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