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412?中国太阳能光伏进展
发展碲化镉薄膜太阳电池的几个关键问题
张静全冯良桓李卫蔡亚平蔡伟武莉莉雷智黎兵郑家责
四川大学材料科学工程学院四川省成都市610064
【摘要】碲化镉薄膜太阳电池的发展日益受到重视。碲资源、电池成本、电池生产和使用对
环境的影响等问题是碲化薄膜太阳电池发展中受到很多人关注的问题,本文对此
进行了分析讨论。最后分析了工业化规模生产碲化镉薄膜太阳电池组件的关键技术。
【关键词】碲化镉薄膜太阳电池
0引言
碲化镉薄膜太阳电池的发展受到国内外的关注,其小面积电池的转换效率已经达到
16.5%,商业组件的转换效率约9%,组件的最高转换效率达到11%2。国内四川大学制备出
转换效率为1338%的小面积单元太阳电池,54cm2集成组件转换效率达到7%,正在进行
0.1m2组件生产线的建设和大面积电池生产技术的研发。
在碲化镉薄膜太阳电池的发展过程中,碲资源、太阳电池的生产和使用对环境的影响、
电池的成本等问题广受人们关注,本文首先对此进行了分析讨论,最后分析了发展碲化镉薄
膜太阳电池的关键技术。
1成本估算
考虑电池的结构为玻璃/SnO2:F/CdS/Cdre/ZnTe/ZnTe:CuMi,碲化镉薄膜的厚度为5微米
转换效率为7%,一兆瓦碲化镉薄膜太阳电池所消耗的材料的成本如表1所示。
表1碲化镉薄膜太阳电池的材料成本
材料
年消耗量
单价(￥)成本(￥10000
透明导电玻璃
15800m
150/m
237
Cdte (6N)
470kg
6000k
282
ZTE(5N)
20k
10000kg
0
ceC2(光谐纯)
100k
600kg
6
N(4N)
100k
g
100kg
其他
75
621
基金项目:国家高技术研究与发展计划(2003AA513010)四川省科技政关项目(O5GG021-003-3)。
化合物半导体和空间用大阳电池及材料·413
可见,碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体,分别占到消耗材料总成本的45.4%
和38.2%
消耗材料的成本还可以进一步降低。如将碲化镉薄膜的厚度减薄1徽米,则碲化镉材料
的消耗将降低20%,从而使材料总成本降低9.1%,即从每峰瓦6.21元降为5.64元。如使用
9999%纯度的碲化镉,效率依然能达到7%,材料成本还将进一步降低。因此,材料成本达
到或低于每峰瓦5元人民币是可能的。
考虑管理、工资、电力和设备折旧等其他成本,碲化镉薄膜太阳电池的成本大约是每峰
瓦13.64元人民币或更低。因此,即使销售价格为每峰瓦20~22元人民币,约为晶体硅太阳
电池现在价格的60%,也能保证制造商有相当的利润空间。
由于碲化镉薄膜太阳电池成本低,其发展对于解决我国西部地区分散居住人口的电力供
给具有重要意义。
2碲资源
碲是地球上的稀有元素,发展碲化鐍薄膜太阳电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏
量是否能够满足碲化镉太阳电池组件的工业化规模生产及应用?
工业上,碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到。据相关报道,地球上有碲14.9
万吨,其中中国有2.2万吨,美国有2.5万吨。
在美国碲化镉薄膜太阳电池制造商 First Solar年产量25兆瓦的工厂中,300~-340公斤碲
化镉即可以满足1兆瓦太阳电池的生产需要,考虑到碲的密度为6,25g/cm3,镉的密度为
8.64g/m3,则130~-140公斤帝即可以满足1兆瓦碲化镉薄膜太阳电池的生产需要。
由以上数据,可以知道,按现已探明储量,地球上的碲资源可以供100个年生产能力100
兆瓦的生产线用100年。
3环境影响
由于碲化镉薄膜太阳电池含有重金属元素镉,使很多人担心碲化镉太阳电池的生产和使
用对环境的影响。多年来,一些公司和专家不愿步入碲化镉太阳电池的开发和生产。那么,
碲化镉薄膜太阳电池的生产和使用中镉的排放究竟有多严重呢?
为此,美国布鲁克文( Brookhaven)国家实验室的科学家专门研究了这个问题何。,他们
系统研究了晶体硅太阳电池、碲化镉太阳电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位
发电量的重金属排放量。在太阳电池的分析中,考虑了将原始矿石加工得到制备太阳电池所
需材料、太阳电池制备、太阳电池的使用等全寿命周期过程。研究结果表明(见图1),石油
的镉排放量是最高的,达到443克GWh,煤次之,为3.7克/GWh。而太阳电池的排放量均
小于1克GWh,其中又以碲化镉的镉排放量最低,为0.3克/GWh,与天然气的相同。硅太
阳电池的镉排放量大约是碲化镉太阳电池的二倍。
414·中国太阳能光伏进展
50
10
0.5.0.70.603
0.3
0.9
图1太阳电池组件与其他能源的镉排放量的比较图叫
他们还研究了硅太阳电池和碲化镉太阳电池生产与使用中其他重金属元素的排放。研究
结果表明(见图2),碲化镉太阳电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太
阳电池的低。该研究报告结论基于对美回 First Solar公司碲化塥薄膜太阳电池生产线、碲化
镉太阳电池组件使用现场的系统考察,和对其他太阳电池、能源的实际生产企业的工艺、相
关产品的使用环境研究分析得出。研究结果的科学性、公正性得到国内外的承认。研究者在
2006年欧洲材料年会硫系半导体光伏材料分会作的报告引起了与会人员的强烈关注。
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图2硅太阳电池和碲化镉太阳电池的重金属排放量的比较图
美国的研究人员还针对碲化镉薄膜太阳电池组件使用过程中,遇到火灾等意外事故造成
组件损毁时镉的污染进行了研究。他们将双玻璃封装的碲化镉薄膜太阳电池组件在模拟建
筑物发生火灾的情况下进行试验,实验温度高达1100°C。结果表明,高温下玻璃变软以至
于熔化,化合物半导体薄膜被包封在软化了的玻璃中,镉流失量不到电池组件所含镉总量的
0.04%。考虑发生火灾的几率,得出使用过程中,镉的排放量不到0.06mg/Gwh
虽然实验表明碲化镉薄膜太阳电池组件的使用是安全的,但是建立寿命末期电池组件和
损毁组件的回收机制,可以增强公众的信心。分离出的Cd、Te及其他有用材料,还可用于
制造生产太阳电池组件所需的相关材料,进行循环生产。美国、欧洲的研究表明,技术上是
可行的,回收材料的效益高于回收成本。事实上,美国 First Solar公司的碲化镉太阳电池组
件在销售时就与用户签订了由工厂支付回收费用的回收合同。
综上所述,碲化镉太阳电池在生产、使用等方面是环境友好的
4大面积碲化镉薄膜太阳电池组件制造的关键技术
图3是碲化镉薄膜太阳电池组件的集成结构示意图。图4是碲化镉薄膜太阳电池组件的