碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展.pdf

收稿日期:2016-10-11作者简介:范文涛(1987-),男,江西丰城人,工程师,硕士.第11卷　第1期材　料　研　究　与　应　用Vo1.11,No.12017年3月MATERIALSRESEARCH　ANDAPPLICATIONMar.2017文章编号:1673-9981(2017)01-0006-03碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展范文涛,朱　刘广东先导稀材股份有限公司,先进材料研究院,　广东清远511517摘　要:碲化镉薄膜太阳能电池已成为全球光伏领域研究热点之一.本文阐述了碲化镉薄膜太阳能电池的特性,介绍并探讨了国内外碲化镉薄膜太阳能电池领域的研究现状及产业化进展.关键词:碲化镉;太阳能电池;研究现状中图分类号:TK51　　　　　　　　　文献标识码:A二十一世纪世界各国加速发展各种可再生能源,希望可以解决日益严重的温室效应、能源枯竭和环境污染等全球性危机.太阳能产业是未来能源的一个主导产业,亦是国家和地方政府大力扶植的战略新兴产业,市场潜力巨大.目前,太阳能电池市场主要产品是硅系太阳能电池,占市场总额的80%以上[1],但晶硅电池的高成本和生产过程的高污染等问题一直困扰着太阳能电池市场,随着薄膜太阳能电池技术的不断发展,未来薄膜太阳能电池将成为太阳能电池领域的主导技术,并被广泛应用.目前有市场前景的薄膜太阳能电池主要有三种,分别是非晶硅、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池,而碲化镉薄膜太阳能电池是其中的佼佼者,与传统的单晶硅太阳能电池相比,其具有成本低,弱光性更好等优势.除了光伏发电之外,未来薄膜电池还可以应用于汽车、手机等设备上,其发展前景极为可观.1　碲化镉太阳能电池的特点CdTe薄膜太阳电池与其他化合物薄膜电池相比具有以下特点:(1)CdTe的禁带宽度(约1.45eV)与太阳能光谱相匹配,高于硅材料100倍的吸收系数等材料特性,适合制备高效薄膜太阳电池,其理论转换转化率为28%[2];(2)CdTe相比硅材料具有功率温度系数低和弱光效应好等特性,表明碲化镉太阳能电池更适于沙漠、高温等复杂的地理环境,以及在清晨、阴天等弱光环境下也能发电;(3)CdTe属于简单的二元化合物,易生成单相材料,已有多种技术可制备10%以上的CdTe小面积电池,其中CSS(近距离升华)[3]和VTD(气相输运沉积)[4]技术具有沉积速率高、原材料利用率高、生产成本低,以及所制备的膜质好、晶粒大等优点,应用最为广泛,可实现规模化生产.碲化镉薄膜太阳能电池结构简单,其生产时间与硅系太阳能相比大大缩短,只需几小时就可以完成由玻璃到成品的出货.目前组件成本可做到0.5美元/W左右,当组件效率上升,成本还有进一步下降的空间.2　碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状太阳能电池的发展已经走进了第三代,以碲化镉为代表的化合物薄膜太阳能电池发展迅速.国际上碲化镉薄膜太阳电池的研究和制造十分活跃,在1963年,Cusano[5]研制出了以碲化镉为n型和以碲化亚铜为p型结构的电池,其光电转化效率为7%,这无疑是碲化镉薄膜电池的一个开端.在1982年,Tyan等人[6]用化学沉积方法在CdTe上蒸镀一层CdS,首次制备出异质结构p-CdTe/n-CdS薄膜太阳万方数据能电池,其转换效率超过10%,这是现在CdTe薄膜太阳能电池产业化的原型.在1993年,美国佛罗里达大学科研人员采用近空间升华法制备出CdTe薄　膜太阳能电池,　其转换效率为15.8%[7].在2004年,我国学者吴选之[8]制备出碲化镉太阳能电池,其转换效率达到了16.5%.慢慢地碲化镉薄膜材料逐渐被认为是一种高效、廉价的太阳能电池材料,也开始由实验室研究阶段走向规模化工业生产.目前,美国的FirstSolar公司凭借这方面的技术已经奠定了全球薄膜光伏的龙头地位,该公司受益于研发费用的投入,碲化镉太阳能电池的转换效率逐年增长,在2016年初生产的碲化镉太阳能电池实验室转换效率已经达到22.1%,并还有进一步提升的空间.碲化镉光伏电池中由于存在镉元素,产品在使用过程中人们一直担忧其是否对人体有害,对此学者也进行了深入的研究.根据美国Brookhaven国家实验室(BNL)报告[9],CdTe薄膜组件中CdTe用量很小,1MW的CdTe组件仅需约250kg的CdTe.CdTe被密封在两块玻璃之间,常温下没有Cd的释放,即使在1100℃的高温下,99.96%的CdTe都被熔化的两块玻璃封住而没有泄露.比较其他几种太阳电池及其它能源,碲化镉薄膜太阳能电池的镉排放量仅为0.3g/GWh,而多晶硅的为0.6g/GWh、单晶硅的为0.7g/GWh、煤炭的为3.7g/GWh、石油的为44.3g/GWh,在CdTe太阳电池组件制备和使用全寿命期内,总的镉释放量最低、最为安全.刘向鑫等人[10]结合中国实际国情,对碲化镉产业镉的排放问题进行了研究,结果发现碲化镉光伏发电形式的镉总排放率只有火力发电的1/13,表明CdTe不同于元素镉,其是稳定的化合物,能被安全使用,碲化镉光伏产品是环保友好的.在重视环保的美国和德国等发达国家,碲化镉太阳电池的研究和产业化技术一直得到很好地发展.碲化镉中的碲为稀有金属,碲化镉薄膜电池每年耗碲约120t,业内部分人士担心Te资源不足给碲化镉薄膜太阳能电池未来的发展造成障碍[11].目前全世界碲储量有40~50kt,世界碲产量约400~600t/a[12],人们担心碲的产量满足不了碲化镉薄膜太阳能电池发展的需要.当碲化镉薄膜层厚度约为3μm,组件转化率在10%的情况下,每1GW的CdTe组件将要消耗100t碲,但随着技术的发展,碲化镉薄膜厚度将更薄,组件转化率将进一步提高,接近其理论效率,每1GW的CdTe组件消耗碲含量将大幅降低;当大规模组件效率达到15%,厚度减少到0.2μm时,每1GW的消耗碲含量只需4.4t[13].碲资源的消耗的问题不应该静态的去看待,毋庸置疑,随着科学技术的提升碲的消耗量将大大降低.同时,碲资源的回收利用将大大缓解资源不足的情况.3　碲化镉薄膜太阳能电池的产业化进展　　目前,全球范围内具备能够量产碲化镉薄膜电池组件技术的企业有美国的第一太阳能公司、德国的Calyxo公司以及中国的龙焱能源等.美国第一太阳能公司FirstSolar是薄膜电池的龙头企业,成立于1998年,2002年生产出第一块光伏电池产品后　就以惊人速度扩张,　　　　短短几年其产量翻翻,　并在2006　　　　　　　　　　年底在美国纳斯达克上市,　代号FSLR.从FirstSolar公司2015年的年报中可以看出[13]:该公司实验室制造的碲化镉组件效率首次超越多晶硅组件转换效率,达到创纪录的18.6%,其实验室电池转换效率已经达到21.5%,并在2016年刷新了其原有记录达到22.1%;其量产组件的转换效率也是逐渐增长,从2006年的9.5%到2011年的11.9%,再到2015年的15.6%;该公司2015年的光伏组件产量达到了2.5GW,销售量达36亿美元,其碲化镉薄膜光伏组件产量约占全球碲化镉薄膜光伏组件总产量的95%以上.德国CalyxoGmbH公司成立于2005年,是一家生产碲化镉薄膜太阳能电池组件制造商和光伏发电系统供应商,在德国拥有25　MW和60　MW两条碲化镉薄膜太阳能电池组件生产线,2012年Calyxo公司碲化镉薄膜太阳能电池组件的生产成本约为0.8美元/W,中期的目标是将生产成本降低到0.5美元/W,目前该公司碲化镉薄膜太阳能电池组件的转换效率达到13.4%,其实验室电池转换效率已达16.2%,并得到德国SGS测试机构的验证[14].国内碲化镉薄膜太阳能研究及产业化起步较晚,目前处于初期阶段.2001年四川大学太阳能组研制出碲化镉太阳电池,其转换效率达11.6%,并建立了全部由中国生产设备构成的0.3　MW中试生产线[15].2012年龙焱能源建立了一条具有完全自主知识产权、全国产化、全自动化的30MW碲化镉薄膜电池组件生产线,生产的组件平均效率达到了7第11卷　第1期　　　　范文涛,等:碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展万方数据11.4%,并具有良好的稳定性;2014年龙焱能源制备的碲化镉组件产品转换效率达到13%,并得到中国计量科学研究院检测认证,其组件产品系列已获得美国、欧洲、澳大利亚等全球各地知名认证机构的产品认证[16].2015年美国第一太阳能碲化镉光伏产品产量产量达到2.5GW,而国内碲化镉产品占光伏市场的容量很少,因此碲化镉薄膜太阳能电池的市场成长空间很大,有着非常好的市场前景.4　结　语碲化镉薄膜太阳能电池具有光电转换效率高、功率温度系数低、弱光效应好、易制备、生产成本低等优势,已经在光伏市场上占有一席之地.目前,研究人员和生产厂商研究的焦点仍是降低生产成本和提高光电转换效率,产业化的升级将进一步提高碲化镉薄膜太阳能电池的竞争力.国内的碲化镉薄膜太阳能电池的产业化仍存在很大的发展空间和市场前景.参考文献:[1]朱卫东,张阳.中国薄膜太阳电池技术发展现状与趋势[J].中国基础科学,2013,15(2):7-10.[2]KAZMERSKIL　L.Solarphotovoltaics　R&D　atthetippingpoint:A2005technologyoverview[J].JournalofElectronSpectroscopy&　RelatedPhenomena,2006,150(2-3):105-135.[3]WUX,DHERERG,ALBINDS,etal.High-efficiencyCTO/ZTO/CdS/CdTepolycrystalline　thin-film　solarcells[C].Colorado:NCPV　Program　Review　Meeting,2001:47-48.[4]BONNETA,NIEMEGEERSD.AmodelfortheeffectsoftheCdC12treatmentontheperformanceofCdTe/CdSsolarcells[C].Barcelona:Spain,1997:2079-2082.[5]CUSANODA.CdTesolarcellsandphotovoltaicheterojunctionsinII-VIcompounds[J].Solid-StateElectronics,1963,6(3):217-218.[6]TYAN　Y　S,PEREZALBUERNE　E　A.　Efficientthin-filmCdS/CdTesolarcells[C].NewYork:ElectricalandElectronicsEngineers,1982:794-800.[7]FEREKIDESC,BRITTJ,MA　Y,etal.　HighefficiencyCdTesolar　cells　byclose　spaced　sublimation[C].Piscataway:IEEE,1993:389-393.[8]WU　Xuanzhi.High-efficiencypolycrystallineCdTethin-filmsolarcells[J].SolarEnergy,2004,77(6):803-814.[9]FTHENAKIS　V　M.　Life　cycle　impact　analysis　ofcadmiumin　CdTe　PVproduction[J].Renewable　&SustainableEnergyReviews,2004,8(4):303-334.[10]刘向鑫,杨兴文.中国国情环境下CdTe光伏的全周期镉排放分析[J].科学通报,2013,58:1833-1844.[11]陈少纯,顾珩,高远,等.稀散金属产业的观察与思考[J].材料研究与应用,2009,3(4):216-222.[12]王晓民,李刚.　世界碲、　　　　　　镉及碲化镉经济现状和前景[J].世界有色金属,2010(9):28-31.[13]ZWEIBEL　K.Engi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