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碲化镉太阳能电池发展亟待产业化

日期:2020-09-01    来源:车之道

国际太阳能光伏网

2020
09/01
15:11
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关键词: 太阳能电池 光伏组件 光伏发电

近日,中国建材集团有限公司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。

据了解,此次成功下线1.2米X1.6米的薄膜弱光发电玻璃产品,是在普通玻璃上镀上碲化镉光电材料,让普通玻璃从绝缘体变成可导电的导体,进而变成可发电的建筑材料,实现了玻璃与材料的有机结合。另外该产品即便在弱光条件下也可通过光电转化产生电能,是一种绿色可回收可发电的多功能建筑材料,可替代砖头、幕墙等建材,为大规模碲化镉太阳能电池发展奠定了坚实基础。

碲化镉具备大规模商业化价值

碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池,是一种以P型CdTe和N型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池。碲化镉电池具有温度系数低,弱光性好,热斑小的独特优势,在建筑光伏一体化方面能够发挥非常大的作用。中国国家大剧院舞美基地的光伏幕墙和光伏采光顶、中国光伏博物馆的墙体和整个建筑的顶面都是采用碲化镉薄膜组件。据了解,目前碲化镉电池组件全球总装机量超过4GW,全球10座大型地面电站中有6个采用了碲化镉薄膜组件,并且碲化镉组件有较高个转化率,0.72平方米的组件最高转化率达到了18.6%,电池转化效率已经达到了22.1%。

龙焱能源科技股份有限公司营销总监包钢在第七届中国能源高层对话上曾表示,评价一个光伏技术的好坏,一定要用'四高一低'来衡量。'四高'即高效率、高稳定性、高产率、高良品率,'一低'即低成本。目前薄膜方面,铜铟镓硒技术和材料都非常好,但由于铟镓硒非常稀缺,同时,四种元素做成均匀性的薄膜,工艺难度很大,产率和良品率是矛盾,导致成本很难控制。砷化镓技术成本更高,只能用在卫星、太空等高端方面,不能大规模推广。因此,具有工艺简单、易规模化生产、性能稳定、成本低、效率高的碲化镉则成为全球光伏行业所公认的可以大规模生产及应用的光伏技术之一。

突出问题亟待解决

虽然碲化镉薄膜太阳能电池具有诸多优势,但也面临着以下几方面的突出问题:一是碲化镉本身的局限性。首先,是因为碲化镉本身具有很强的自补偿效应,很难像硅等半导体一样通过掺入杂质元素,电控电学性能。其次,碲化镉载流子浓度低,薄膜电阻率大,因而影响电池的电流输出。最后,碲化镉的功率函数高达5.5eV,与寻常背电极金属材料难以形成欧姆接触。

二是关键原料碲的供应不足。从原材料的稀缺性角度考虑,碲的天然蕴藏量有限将会制约碲化镉薄膜太阳能电池的长期发展。目前,国内外对全球碲的地质储量莫衷一是,据美国地质调查局(USGS)数据显示,全球碲的储量仅为2.4万吨左右,主要分布在美国、秘鲁、加拿大等国家和地区。而我国国内相关报道认为,全球碲的地质储量为14.9万吨,我国碲储量约为2.2万吨,居全球第三位,主要集中于广东、江西、甘肃等省。

如果按照制造1MW薄膜太阳能电池组件约需130-140公斤碲来测算的话,那么根据碲的上述探明储量范围(2.4-14.9万吨),地球上的碲资源可以供100个年生产能力为100MW的生产线用17年到115年之间。因此,乐观看来全球碲资源储量是可以满足生产需求。但如果从经济层面考虑,碲原料的储量比其它太阳能电池原料储量要少,这会导致价格的不断上涨而成为碲化镉电池产业发展的一大桎梏。

目前,全球能够大规模生产碲化镉组件的企业只有FirstSolar

碲化镉薄膜电池的制备技术包括:气相输运沉积(VTD)、近距离升华(CSS)、常压物理气相沉积(APPVD)、溅射沉积、电镀沉积等十余种技术。

从全球碲化镉薄膜电池制造商所在技术阵营看,美国FirstSolar公司是全球唯一一家采用气相输运沉积(VTD)技术的企业。VTD技术是FirstSolar公司的专利技术,并严格禁止其他企业采用;近距离升华(CSS)技术由于技术公开,全球大部分企业都采用该项技术,主要代表企业是美国的AboundSolar及通用电气(GE),德国的AntecSolar及CTFSolar,意大利的ARENDI等;常压物理气相沉积(APPVD)技术的专利拥有者则是美国俄亥俄州的SolarFields公司及其子公司德国Calyxo中有的公司由于生产成本高等原因,已经终止已有的生产能力,并申请破产,如美国Aboundsolar(原AVASolar)公司;很多公司尽管已投入大量资金建立了生产线,但至今仍未形成大规模生产能力,如意大利ARENDI、德国AntecSolar等。

目前全球能够大规模生产碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件的企业只有美国FirstSolar一家,其产量约占全球总产量的95%以上。可见,碲化镉薄膜电池技术产业化并不是一件单纯的技术工作,而是一项综合性很强的系统工程,实现该技术的产业化有较大的难度。

我国已具备一定的产业基础

虽然我国碲化镉薄膜电池技术研发及产业化发展与美国等发达国家相比还有差距,但是已经具备一定的产业基础。

首先,碲化镉薄膜电池的原材料国内完全能够提供,从矿石开采到高纯材料提纯,我国都有相当的基础。目前,大多数的镉和碲原材料都是铅锌铜矿开采的副产品,我国镉矿资源约占世界镉矿资源总量的23%,居世界第一位,碲的储量在世界上处于第三位。四川阿波罗太阳能公司新建有高纯碲、镉以及合成高纯碲化镉的原材料生产线,每年可以向外提供几十吨的高纯材料;峨嵋半导体厂去年扩建了高纯车间,具有年产十几吨的生产能力,正在等待国内碲化镉电池产业的发展。

其次,国内相关研究单位和企业已经介入碲化镉薄膜电池技术中。四川大学一直在进行碲化镉电池技术及产业化的研究;中科院的太阳能行动计划把开发产业化的碲化镉电池技术作为重点,组织了多家研究所进行联合攻关;四川大学、中科院上海技术物理研究所都在进行中试规模产业化的研究;杭州龙焱能源科技已建成一条年产30MW碲化镉薄膜电池组件的生产线;而此次世界第一块大面积碲化镉薄膜弱光发电玻璃在我国成功下线,更是标志着中国不仅掌握了全球领先的大面积碲化镉发电玻璃自主核心技术,也打破了国外巨头的垄断。

因此,无论从太阳能电池技术发展趋势还是从国家能源发展战略考虑,目前,我国需要重视碲化镉薄膜太阳能电池技术产业化的发展,从国家能源技术储备角度来抓好产业化布局。


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