碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展.pdf

第11卷第1期
材料研究与应用
2017年3月
MATERIALS RESEARCH AND APPLICATION
Mar.2017
文章编号:1673-981(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
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
十一世纪世界各国加速发展各种可再生能有功率温度系数低和弱光效应好等特性,表明碲化
源,希望可以解决日益重的温室效应、能源枯竭和镉太阳能电池更适于沙漠、高温等复杂的地理环境,
环境污染等全球性危机,太阳能产业是未来能源的以及在清晨、阴天等弱光环境下也能发电:(3)CdTe
个主导产业,亦是国家和地方政府大力扶植的战属于简单的二元化合物,易生成单相材料,已有多种
略新兴产业,市场潜力巨大.目前,太阳能电池市场技术可制备10%以上的CdTe小面积电池,其中
主要产品是硅系太阳能电池,占市场总额的80%以CSS(近距离升华)8和VTD(气相输运沉积)技
上,但品硅电池的高成本和生产过程的高污染等术具有沉积速率高、原材料利用率高、生产成本低
问题一直困扰着太阳能电池市场?随着薄膜太阳能以及所制备的膜质好、晶粒大等优点,应用最为广
电池技术的不断发展,未来薄膜太阳能电池将成为泛,可实现规模化生产.
太阳能电池领域的主导技术,并被广泛应用.目前有
碲化镉薄膜太阳能电池结构简单,其生产时间
市场前景的薄膜太阳能电池主要有三种,分别是非与硅系太阳能相比大大缩短,只需几小时就可以完
晶硅、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳成由玻璃到成品的出货.目前组件成本可做到0.5
能电池,而碲化镉薄膜太阳能电池是其中的佼佼者,美元/W左右,当组件效率上升,成本还有进一步下
与传统的单晶硅太阳能电池相比,其具有成本低,弱降的空间
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2碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状
可观.
太阳能电池的发展已经走进了第三代,以碲化
1碲化镉太阳能电池的特点
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
CdTe薄膜太阳电池与其他化合物薄膜电池相1963年, Cusano5研制出了以碲化镉为型和以碲
比具有以下特点:(1)CdTe的禁带宽度(约1.45化亚铜为か型结构的电池,其光电转化效率为7%,
eV)与太阳能光谱相匹配,高于硅材料100倍的吸这无疑是碲化镉薄膜电池的一个开端.在1982年,
收系数等材料特性,适合制备高效薄膜太阳电池,其Tyan等人用化学沉积方法在CdTe上蒸镀一层
理论转换转化率为28%2;(2)CdTe相比硅材料具CdS,首次制备出昇质结构かCdTe/n-CdS薄膜太阳
收稿日期:2016-10-11
作者筒分数辖198)男,江西丰城人,工程师,士
第11卷第1期
范义涛,等:碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展
能电池,其转换效率超过10%,这是现在CdTe薄膜量将大幅降低;当大规模组件效率达到15%,厚度
太阳能电池产业化的原型.在1993年,美国佛罗里减少到0.2m时,每1GW的消耗碲含量只需4.4
达大学科研人员采用近空间升华法制备出CdTe薄
碲资源的消耗的问题不应该静态的去看待,毋
膜太阳能电池,其转换效率为15.8%?.在2004庸置疑,随着科学技术的提升碲的消耗量将大大降
年,我国学者吴选之制备出碲化镉太阳能电池,其低.同时,碲资源的回收利用将大大缓解资源不足的
转换效率达到了16.5%.慢慢地碲化镉薄膜材料逐情况
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3碲化镉薄膜太阳能电池的产业化
国的 First Solar公司凭借这方面的技术已经奠定了
进展
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
目前,全球范围内具备能够量产碲化镉薄膜电
2016年初生产的碲化镉太阳能电池实验室转换效池组件技术的企业有美国的第一太阳能公司、德国
率已经达到22.1%,并还有进一步提升的空间.
的 Calyx公司以及中国的龙焱能源等.美国第一太
碲化镉光伏电池中由于存在镉元素,产品在使阳能公司 First Solar是薄膜电池的龙头企业,成立
用过程中人们一直担忧其是否对人体有害,对此学于1998年,2002年生产出第一块光伏电池产品后
者也进行了深入的研究.根据美国 Brookhaven国家就以惊人速度扩张,短短几年其产量翻翻,并在
实验室(BNIL)报告,CdTe薄膜组件中CdTe用量2006年底在美国纳斯达克上市,代号FSLR.从
很小,1MW的CdTe组件仅需约250kg的CdTe. First Solar公司2015年的年报中可以看出3:该公
CdTe被密封在两块玻璃之间,常温下没有Cd的释司实验室制造的碲化镉组件效率首次超越多晶硅组
放,即使在1100℃的高温下,99.96%的CdTe都被件转换效率,达到创纪录的18.6%,其实验室电池
熔化的两块玻璃封住而没有泄露.比较其他几种太转换效率已经达到21.5%,并在2016年刷新了其
阳电池及其它能源,碲化镉薄膜太阳能电池的镉排原有记录达到22.1%:其量产组件的转换效率也是
放量仅为0.3g/GWh,而多品硅的为0.6g/GWh、逐渐増长,从2006年的9.5%到2011年的11.9%
单晶硅的为0.7g/GWh、煤炭的为3.7g/GWh、石再到2015年的15.6%;该公司2015年的光伏组件
油的为44.3g/GWh,在CdTe太阳电池组件制备和产量达到了2.5GW,销售量达36亿美元,其碲化
使用全寿命期内,总的镉释放量最低、最为安全.刘镉薄膜光伏组件产量约占全球碲化镉薄膜光伏组件
向鑫等人结合中国实际国情,对碲化镉产业镉的总产量的95%以上.德国 Calyxogmbh公司成立于
排放问题进行了研究,结果发现碲化镉光伏发电形2005年,是一家生产碲化镉薄膜太阳能电池组件制
式的镉总排放率只有火力发电的1/13,表明CdTe造商和光伏发电系统供应商,在德国拥有25MW
不同于元素镉,其是稳定的化合物,能被安全使用,和60MW两条碲化镉薄膜太阳能电池组件生产
碲化镉光伏产品是环保友好的.在重视环保的美国线,2012年 Calyx公司碲化镉薄膜太阳能电池组
和德国等发达国家,碲化镉太阳电池的研究和产业件的生产成木约为0.8美元/W,中期的目标是将生
化技术一直得到很好地发展.
产成本降低到0.5美元/W,目前该公司碲化镉薄膜
碲化镉中的碲为稀有金属,碲化镉薄膜电池每太阳能电池组件的转换效率达到13.4%,其实验室
年耗碲约120t,业内部分人士担心Te资源不足给电池转换效率已达16.2%,并得到德国SGS测试机
碲化镉薄膜太阳能电池未来的发展造成障碍.日构的验证
前全世界碲储量有40~50kt,世界碲产量约400
国内碲化镉薄膜太阳能研究及产业化起步较
6001/a2,人们担心碲的产量满