一文读懂什么是碲化镉发电玻璃（附常见问题解答）

　　绿色低碳是我国＂十四五＂期间重要发展目标，而光伏发电则是实现这一目标的主力军。在光伏行业快速发展的过程中，除了晶体硅电池备受关注之外，以碲化镉为吸收层的薄膜电池同样受到业界聚焦。
　　碲化镉（CdTe）是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，形状呈黑色晶体颗粒或粉末，熔点达1092 ，相对分子量240，晶体结构为闪锌矿型，具有直接跃迁型能带结构。其晶格常数为0.6481nm，禁带宽度为1.45eV，室温电子迁移率为1050 c /(Vs)，室温空穴迁移率为80 c /(Vs)。碲化镉化学键的键能高达5.7eV，是镉元素在自然界中最稳定的化合态之一。因此，碲化镉在常温下化学性质稳定，且不溶于水、弱酸，在工业生产和使用过程中比较安全。
　　值得一提的是，碲化镉太阳电池的光谱响应与地面太阳光谱分布非常匹配，实际发电能力强。
　　碲化镉性能稳定，光能吸收系数高，通过掺入不同杂质能获取N型或P型半导体材料，可用于核辐射探测器（医学用）、红外电光调制器、红外探测器、红外透镜和窗口等器件制造。在光伏领域，碲化镉被视为制备大尺寸太阳能薄膜电池的关键原材料。仅仅2μm（微米）厚度的碲化镉薄膜，在标准AM1.5条件下光学吸收率超过90%，最高理论转换效率高达33%，因此太阳能成为碲化镉最大的应用领域。通常情况下，光伏行业需要用到5N纯度的碲化镉。
　　与其它太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单；一般而言，传统结构由五层组成，即玻璃衬底、透明导电氧化层（TCO层）、硫化镉（CdS）窗口层、碲化镉（CdTe）吸收层、背接触层和背电极，如下图所示。
　　碲化镉薄膜太阳能电池的传统结构
　　光伏组件是光伏发电系统的核心组成部分，薄膜电池现已发展出包括碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs）、非晶硅薄膜、有机薄膜、钙钛矿等多种技术路线，碲化镉是目前为止市占率最高的薄膜组件类型，在薄膜组件中占比超过95%。
　　碲化镉薄膜太阳电池特点可总结为：
　　1、碲化镉的禁带宽度为1.45eV，是与地面太阳能光谱最匹配的太阳电池吸收层材料；
　　2、碲化镉是直接带隙材料，吸收系数> 105/cm，吸收系数高，是硅材料的100倍；
　　3、温度系数低：碲化镉禁带宽度高于晶硅，温度系数约为晶硅的一半，夏季组件的温度可超过65 ，由于温度升高造成的功率损失碲化镉组件要比晶硅组件少10%左右；
　　4、热斑效应小：碲化镉薄膜组件是长条子电池设计，减少了热斑效应，在提高发电能力的同时，改善了产品寿命和安全性；
　　5、色彩均匀，美观大方：大面积碲化镉光伏组件色彩均匀，美观，整体感强，特别适合于对美观要求较高的建筑；
　　6、发电效率高：碲化镉电池理论极限转化效率32％-33%;目前小面积电池光电转换效率世界记录为22.1%, 组件效率19%,并且还有较大的提升空间;
　　7、定制化程度高：龙焱特有的生产工艺技术，现已开发出发电墙、发电瓦、发电砖等8大类，50余种可适用于不同建筑应用场景的碲化镉薄膜光伏发电建材产品，可根据不同需求灵活定制颜色、图案、形状、尺寸、透光度等，逐步实现在建筑应用中用光伏发电建材替代传统建材的宏伟目标。
　　龙焱部分碲化镉薄膜光伏建材产品
　　随着国内建筑节能的政策体系逐步完善，政府对建筑节能的重视程度明显提升。若要实现双碳目标，离不开光伏建筑一体化（BIPV）这个重要路径。2020年，我国住建部等7部委发布绿色建筑相关行动方案，方案以2022年新建绿色建筑占比70%为目标，要求引导政府投资工程率先采用绿色建材。通过碲化镉薄膜电池技术制备的碲化镉发电玻璃建材，正是新一代绿色建筑材料。
　　相比于晶硅组件，碲化镉薄膜组件具有吸收系数高、热斑效应小、弱光效应好、美观度高、可定制性强等特点，可以灵活应用用于建筑屋顶、幕墙等多种建筑结构上，并最大限度利用建筑的表面增加有效发电面积，满足多角度建筑发电需求，最终从源头上减少建筑碳排放。在利好政策推动下，未来碲化镉薄膜光伏组件的需求还将进一步扩大。
　　龙焱碲化镉薄膜光伏产品在BIPV项目和光伏电站中的应用
　　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，龙焱能源于2008年由国际光伏专家吴选之教授等人创建，承担了国家高技术研究发展计划（863计划）先进能源领域课题，成功打破国外技术垄断，率先在2011年在中国实现了完全自主研发碲化镉薄膜太阳能技术产业化，电池效率达到国内外卓越水平。
　　经过14年的发展，龙焱能源除了碲化镉标准光伏组件广泛应用于光伏电站项目中，研发生产的各类碲化镉光电建材更是受到建筑行业的青睐，产品已成功应用于世园会中国馆、雄安新区商务中心、大同能源馆、嘉兴火车站、鄂州顺丰花湖机场、北京冬奥会喷泉广场水下光伏、中国建研院光电示范建筑等国内外百余个标志性光电建筑项目中(部分应用项目见上图) 。
　　以下为六个碲化镉薄膜电池的常见问题解答：
　　Q
　　一问：碲化镉电池转化效率比晶硅电池转化效率低，是不是就等同于碲化镉组件没有晶硅组件的发电能力好？
　　A
　　答：否。
　　1、太阳电池具有很強的材料属性，其中包括吸收层材料的晶体结构；正如多晶硅电池效率永远低于单瞐硅电池一样，用多晶碲化镉薄膜太阳电池的效率与单晶硅电池相比是不科学的。亊实上，多晶碲化镉薄膜太阳电池的效率，无论是实验室电池或组件效率均已经与多瞐硅电池相近；而且还存在较大空间去进一步提升它的效率。
　　2、光伏电站投资成本按装机容量计算，光伏组件销售价格按功率瓦数销售；在现阶段碲化镉组件产业链的规模及生产原料需求量均远远小于晶硅组件情况下，碲化镉组件的生产成本已经与晶硅组件持平，随着碲化镉薄膜电池产业规模化和生产技术不断提升，碲化镉组件未来的降本空间远大于晶硅组件。
　　3、唯转换效率影响发电能力的观点是否正确？当前光伏组件的光伏性能测试是在标准测试条件（STC）下进行：AM=1.5；1000W/ ；25ºC。太阳电池转化效率只能直接影响单位面积装机容量，但并不决定发电量；因为这仅仅是在标准测试环境下的情况。光伏项目实际安装环境中，很多因素会影响发电，如温度、辐照强度、阴影遮挡、安装角度、朝向、组件积灰、天气情况等。不同光伏组件技术使用的半导体材料不同，导致对光的吸收系数和温度系数都不同。在实际应用场景中，由于碲化镉组件的吸收系数高、温度系数小以及热斑效应小等特点，它的实际发电能力反而更显优势。实际上已有很多按装功率相同的晶硅和碲化镉光伏对比电站都已证明了碲化镉组件的发电优势。
　　4、各种光伏电池技术转化效率都在提升。晶硅PERC转化效率已经快到极限(24.5%)，晶硅厂商重点向N型TOPCon、HJT布局；碲化镉电池理论极限转化效率32％-33%，龙焱碲化镉电池转化效率每年稳步提升，已经接近21%，未来还有非常大的提升空间。
　　Q
　　二问：碲化镉中的镉有毒，大规模应用会对人体和环境造成伤害？
　　A
　　答：不会的。
　　碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，使很多人担心碲化镉太阳能电池的生产和使用会对人体和环境产生危害。
　　美国布鲁克文国家实验室有关研究表明：石油的镉排放量是最高的，达到44.3g/GWh，煤次之，为3.7g/GWh。而各种太阳能电池的排放量均小于1g/GWh，其中又以碲化镉的镉排放量最低，为0.3g/GWh，与天然气相同；硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉太阳能电池的两倍。
　　他们还研究了硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池生产与使用中其他重金属的排放。研究结果表明，碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。该研究报告结论是基于对美国First Solar公司碲化镉薄膜太阳能电池生产线、碲化镉太阳能电池组件使用现场的系统考察，和对其他太阳能电池、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认可。
　　另外美国First Solar和国内龙焱能源,自公司成立以来，每年都对公司员工进行血液、尿液检测，结果表明镉指标远低于安全阈值。
　　Q
　　三问：碲是稀有元素，全球探明储量只有14万吨，未来会限制碲化镉光伏产业发展？
　　A
　　答：不会的。
　　1、碲的稀缺程度不仅要看供应量，还要看需求量
　　碲是铜矿的副产品，也就是来自銅矿的矿渣，以及以冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。现在随着碲化镉薄膜太阳电池产业的不断发展和产能的不断提升，这些曾经的矿渣废料得到了最环保、绿色的循环利用。碲除了在红外线雷达中有极少量使用，基本没有太多别的用途，它现在主要用于碲化镉薄膜太阳电池组件生产使用。
　　2、生产碲化镉薄膜太阳能电池使用的碲量非常少
　　按现有碲化镉薄膜电池工艺水平，生产1GW碲化镉薄膜光伏组件仅需40吨碲，14万吨碲可以生产约3500GW碲化镉薄膜光伏组件，按全球每年生产50GW碲化镉薄膜光伏组件计算，可以满足70年的碲耗量。
　　3、碲化镉薄膜光伏组件回收技术已经实现碲回收率达90%
　　First Solar、龙焱能源会与客户在销售合同中签订组件回收至原厂的专门条款。龙焱已经成功研发废旧组件的回收和再利用的专利技术，废旧组件主要包括在生产过程中出现的废品组件、客户在使用中产生的破損组件以及寿命终止需回收的报废组件。
　　碲化镉薄膜光伏组件在户外工作25年后，因为组件釆用双玻封装技术，碲量不会减少；且废旧组件回收后碲的回收率可以达到90%。这样既解决了环保问题，也解决了废旧组件回收问题。
　　Q
　　四问：碲化镉薄膜光伏组件比晶硅组件价格高？
　　A
　　答：碲化镉薄膜光伏组件价格比晶硅组件目前持平，未来有明显优势。
　　1、地面电站、分布式工商业光伏电站、户用光伏电站等常规光伏电站釆用的标准碲化镉光伏组件的生产成本已经与晶硅组件生产成本持平。
　　目前碲化镉组件的产业链规模及生产原料耗量远小于晶硅组件，随着碲化镉电池产业规模化和生产技术不断提升，碲化镉光伏组件的降本空间远大于晶硅组件，未来极有可能出现碲化镉光伏组件价格低于晶硅组件的情况。
　　2、建筑光伏一体化(BIPV)项目
　　开发和采用光伏发电建材是助力实现发电建筑的重要途径。用于BIPV项目中的碲化镉光伏发电建材产品与常规电站中的光伏组件是完全不同的两类产品：碲化镉光伏发电建材最重要的功能实现建材功能，可以替代传统建材，同时要兼顾发电功能。所以产品首先要满足建筑的安全可靠、透光度、保温隔热、美观、防结露、尺寸变化等要求，同时要兼顾考虑发电、节能功能。
　　常规光伏组件的价格与碲化镉光电建材的价格是不能简单等同对比，两者本身就是应用于不同场景的产品；同样理由，晶硅组件制作成光电建材产品，成本也会大幅增加，甚至高于碲化镉光电建材产品。
　　Q
　　五问：碲化镉薄膜太阳能电池在火灾中会产生健康危害吗？
　　A
　　答：不会的。
　　碲化镉的熔点是1041 ，在大气压下从1050 开始蒸发，而火焰的温度为800 －1000 ，不足以使碲化镉蒸发。碲化镉确实会在500 以上升华，但这一现象只在2.5torr（0.003atm）的气压下发生。而硫化镉的熔点高达1750 ，要使其在800 升华得将气压调到0.1torr。
　　美国布鲁克海文国家实验室和德国的GSF学院针对碲化镉薄膜太阳能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能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 。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，镉流失量不到电池所含镉总量的0.04%。考虑到发生火灾的几率，得出使用过程中，镉的排放量不到0.06mg/GWh。
　　Q
　　六问：碲化镉光伏组件产线设备的投资成本高？
　　A
　　答：否。
　　晶硅产业链从上游的多晶硅料，到中游的硅片和电池片，再到下游的光伏组件，每个环节都需要非常多的生产设备、配备设施以及资金投入。与晶硅产业链相比，碲化镉的产业链则要短很多。仅300米长的碲化镉光伏组件全自动生产线，就可能实现从原材料光伏玻璃的磨边清洗，到化合物半导体薄膜的制备，再到最后光伏组件成品封装测试的完整生产流程。
　　另外随着碲化镉组件产业规模的增加、生产技术的不断提升以及生产设备的标准化生产，碲化镉光伏组件的产线设备还有很大的降本空间。
　　所以，无论是从产线设备资金投入角度，还是从光伏组件生产能耗角度看，碲化镉的产业链都更具优势。