碲化鎘薄膜太陽能電池

碲化鎘薄膜太陽能電池簡稱CdTe電池，它是一種以p型CdTe和n型CdS的異質結為基礎的薄膜太陽能電池。

基本介紹

• 中文名：碲化鎘薄膜太陽能電池
• 簡稱：CdTe
• 基礎：p型CdTe和n型Cd的異質結
• 優點：理想的禁頻寬度等

基本介紹

10cm*10cm小型碲化鎘薄膜太陽能電池模組

第一個碲化鎘薄膜太陽能電池是由RCA實驗室在CdTe單晶上鍍上In的合金製得的，其光電轉換效率為2.1%。1982年，Kodak實驗室用化學沉積法在P型的CdTe上製備一層超薄的CdS，製備了效率超過10%的異質結p-CdTe/n-CdS薄膜太陽能電池。這是現階段碲化鎘薄膜太陽能電池的原型。20世紀90年代初，碲化鎘薄膜太陽能電池已實現了規模化生產，但市場發展緩慢，市場份額一直徘徊在1%左右。目前碲化鎘薄膜太陽能電池在實驗室中獲得的最高光電轉換效率已達到17.3%。其商用模組的轉換效率也達到了10%左右。

我國CdTe薄膜電池的研究工作開始於上世紀80年代初。內蒙古大學採用蒸發技術、北京太陽能研究所採用電沉積技術（ED）研究和製備碲化鎘薄膜太陽能電池，後者研製的電池轉換效率達到了5.8%。80年代中期至90年代中期，研究工作處於停頓狀態。

90年代後期，四川大學太陽能材料與器件研究所，在馮良桓教授的帶領下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究，在“九五”期間，承擔了科技部資助的科技攻關計畫課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研製”，教授採用近空間升華技術研究碲化鎘薄膜太陽能電池，並取得很好的成績。最近電池轉換效率已經突破13.38%，進入了世界先進行列。“十五”期間，CdTe電池研究被列入國家高技術研究發展計畫“863”重點項目。

經過多年幾代科學工作者的不懈努力，我國正處於實驗室基礎研究到套用產業化的快速發展階段，CdTe電池的研究，從原來的只有內蒙古大學、四川大學、新疆大學等幾家科研院所進行，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產業化（為期兩年，將建設擁有年產碲化鎘50噸的生產線、硫化鎘10噸生產線），使我國在CdTe電池產業化將得到長足發展，從而使我國碲化鎘薄膜太陽能電池產業快速步入世界先進行列。

優點

理想的禁頻寬度

CdTe的禁頻寬度一般為1.47eV，CdTe的光譜回響和太陽光譜非常匹配。

高光吸收率

CdTe的吸收係數在可見光範圍高達104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收層內被吸收。

轉換效率高

碲化鎘薄膜太陽能電池的理論光電轉換效率約為28%。

電池性能穩定

一般的碲化鎘薄膜太陽能電池的設計使用時間為20年。

電池結構簡單

製造成本低，容易實現規模化生產。

結構

碲化鎘薄膜太陽能電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構成的光伏器件。一般標準的碲化鎘薄膜太陽能電池由五層結構組成:

碲化鎘薄膜太陽能電池結構示意圖

玻璃襯底

主要對電池起支架、防止污染和入射太陽光的作用。

TCO層

即透明導電氧化層。主要起的是透光和導電的作用。

CdS視窗層

n型半導體，與p型CdTe組成p-n結。

CdTe吸收層

它是電池的主體吸光層，與n型的CdS視窗層形成的p-n結是整個電池最核心的部分。

背接觸層和背電極

為了降低CdTe和金屬電極的接觸勢壘，引出電流，使金屬電極與CdTe形成歐姆接觸。

製備方法

可以由多種方法製備，如化學水浴沉積(CBD)、近空間升華法、絲網印刷、濺射、蒸發等。一般的工業化和實驗室都採用CBD的方法，這是因為CBD法的成本低和生成的CdS能夠與TCO形成良好的緻密接觸。

國外狀況

碲化鎘薄膜太陽能電池是薄膜太陽電池中發展較快的一種光伏器件。美國南佛羅里達大學於1993年用升華法在1cm2面積上做出轉換效率為15.8%的太陽電池；隨後，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面積電池在實驗室里的最高轉換效率為16%，成為當時碲化鎘薄膜太陽能電池的最高紀錄。

近年來,太陽電池的研究方向是高轉換效率、低成本和高穩定性。因此,以碲化鎘薄膜太陽能電池為代表的薄膜太陽電池倍受關注，許多組織和公司都開始了研究和測試。西門子開發的面積為3600cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池轉換效率達到11.1%的水平；美國國家可再生能源實驗室公布了Solar Cells公司的面積為6879cm2的碲化鎘薄膜太陽能電池的測試結果，其轉換效率達到7.7%；Bp Solar的碲化鎘薄膜太陽能電池面積為4540cm2，轉換效率為8.4%，面積為706cm2，轉換效率達到10.1%；Goldan Photon的碲化鎘薄膜太陽能電池，面積為3528cm2，轉換效率為7.7%。詳細情況見下表:

小面積單體電池研究機構	面積/cm2	開路電壓/V	轉換效率/%
Matsushita	1.0	/	16
USF	0.928	0.845	15.8
SCI	0.27	0.839	13.3
CSM	0.10	0.778	12.9
NREL	0.69	0.823	12.8

大面積單體電池研究機構	面積/cm2	功率/W	轉換效率/%
BP Solar	4540	38.2	8.4
SCI	6728	61	9.1
GP	3528	27.2	7.7
Matsushita	1200	10	8.7

人們認為，碲化鎘薄膜太陽能電池是太陽能電池中最容易製造的,因而它向商品化進展最快。 提高效率就是要對電池結構及各層材料工藝進行最佳化，適當減薄視窗層CdS 的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波回響以提高短路電流密度，較高轉換效率的碲化鎘薄膜太陽能電池就採用了較薄的CdS 視窗層。要降低成本，就必須將CdTe 的沉積溫度降到550 ℃以下，以適於使用廉價的玻璃作襯底；實驗室成果想要走向產業，必須經過組件以及生產模式的設計、研究和最佳化過程。近年來，已經有許多國家的研究小組已經能夠製造出轉換效率12%以上的碲化鎘薄膜太陽能電池。

碲化鎘薄膜太陽能電池組件

在廣泛深入的套用研究基礎上，國際上許多國家的CdTe電池已由實驗室研究階段開始走向規模工業化生產。1998年美國的碲化鎘薄膜太陽能電池產量只有0.2MW，而在2010年，美國第一光伏的年CoTe生產量達到了2.2GW，商業模組平均效率為11.7%，而生產成本卻低至0.75美元/瓦，並且宣布在今後的幾年內會更低。

國內狀況

我國CdTe薄膜電池的研究工作開始於上世紀80年代初。內蒙古大學採用蒸發技術、北京太陽能研究所採用電沉積技術（ED）研究和製備碲化鎘薄膜太陽能電池，後者研製的電池轉換效率達到了5.8%。

80年代中期至90年代中期，研究工作處於停頓狀態。

90年代後期，四川大學太陽能材料與器件研究所，在馮良桓教授的帶領下在我國開展了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究，在“九五”期間，承擔了科技部資助的科技攻關計畫課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽電池的研製”，教授採用近空間升華技術研究碲化鎘薄膜太陽能電池，並取得很好的成績。最近電池轉換效率已經突破13.38%，進入了世界先進行列。“十五”期間，CdTe電池研究被列入國家高技術研究發展計畫“863”重點項目。

經過多年幾代科學工作者的不懈努力，我國正處於實驗室基礎研究到套用產業化的快速發展階段，CdTe電池的研究，從原來的只有內蒙古大學、四川大學、新疆大學等幾家科研院所進行，到今年的四川阿波羅太陽能科技開發股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太陽能電池核心材料產業化（為期兩年，將建設擁有年產碲化鎘50噸的生產線、硫化鎘10噸生產線），使我國在CdTe電池產業化將得到長足發展，從而使我國碲化鎘薄膜太陽能電池產業快速步入世界先進行列。

持續發展

碲化鎘薄膜太陽能電池在生產成本大大低於晶體矽和其他材料的太陽能電池技術，其次它和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光。標準工藝，低能耗，生命周期結束後，可回收，強弱光均可發電，溫度越高表現越好。擁有這么多優勢的碲化鎘薄膜太陽能電池在全球市場占有率上已經開始向傳統晶體矽太陽能電池發起了挑戰，碲化鎘薄膜太陽能電池的領軍企業美國First Solar公司一度成為全球市值最高的太陽能電池企業。然而，碲化鎘太陽能電池自身也仍是有一些缺點。

碲的儲量

碲是地球上的稀有元素，發展碲化鎘薄膜太陽能電池面臨的首要問題就是地球上碲的儲藏量是否能滿足碲化鎘太陽能電池組件的工業化規模生產及套用。過去碲是以銅，鉛，鋅等礦山的伴生礦副產品形式，也就是礦渣，以及冶煉廠的陽極泥等廢料的形式存在。

碲

雖然據相關報導，地球上已知有碲十數萬噸，且130~140公斤碲即可以滿足1MW碲化鎘薄膜太陽能電池的生產需要，但是跟矽的儲量根本無法相提並論。

鎘的危害

由於碲化鎘薄膜太陽能電池含有重金屬元素鎘，使很多人擔心碲化鎘太陽能電池的生產和使用對環境的影響。多年來，一些公司和專家不願步入碲化鎘太陽能電池的開發和生產就是因為這個原因。

鎘

為此，美國布魯克文國家實驗室的科學家們專門研究了這個問題。他們系統研究了晶體矽太陽能電池、碲化鎘太陽能電池與煤、石油、天然氣等常規能源和核能的單位發電量的重金屬排放量。在太陽能電池的分析中，考慮了將原始礦石加工得到製備太陽能電池所需材料、太陽能電池製備、太陽能電池的使用等全壽命周期過程。研究結果表明，石油的鎘排放量是最高的，達到44.3g/GWh，煤炭次之，為3.7g/GWh。而太陽能電池的排放量均小於1g/GWh，其中又以碲化鎘的鎘排放量最低，為0.3 g/GWh。與天然氣相同，矽太陽能電池的鎘排放量大約是碲化鎘太陽能電池的兩倍。

他們還研究了矽太陽能電池和碲化鎘太陽能電池的生產與使用中其他重金屬的排放。研究結果表明，碲化鎘太陽能電池的砷、鉻、鉛、汞、鎳等其他重金屬的排放量也比矽太陽能電池的低。該研究報告結論基於對美國First Solar公司碲化鎘薄膜太陽能電池生產線、碲化鎘太陽能電池組件使用現場的系統考察，和對其他太陽能電池、能源的實際生產企業的工藝、相關產品的使用環境研究分析得出。研究結果的科學性、公正性得到國內外的認可。研究者在2006年歐洲材料年會硫系半導體光伏材料分會作的報告引起了與會人員的強烈關注。

美國的研究人員還針對碲化鎘薄膜太陽能電池組件使用過程中，遇到火災等意外事故造成組件損毀時鎘的污染進行了研究。他們將雙玻璃封裝的碲化鎘薄膜太陽能電池組件在模擬建築物發生火災的情況下進行試驗，實驗溫度高達1100℃。結果表明，高溫下玻璃變軟以至於熔化，化合物半導體薄膜被包封在軟化了的玻璃中，鎘流失量不到電池所含鎘總量的0.04%。考慮到發生火災的幾率，得出使用過程中，鎘的排放量不到0.06mg/GWh。

雖然實驗表明碲化鎘薄膜太陽能電池組件的使用是安全的，但是建立壽命末期電池組件和損毀組件的回收機制可以增強公眾的信心。分離出的Cd、Te及其他有用材料，還可用於製造生產太陽能電池組件所需的相關材料，進行循環生產。美國、歐洲的研究表明，技術上是可行的，回收材料的效益高於回收成本。事實上，美國First Solar公司的碲化鎘太陽能電池組件在銷售時就與用戶簽訂了由工廠支付回收費用的回收契約。

綜上所述，碲化鎘太陽能電池在生產、使用等方面是環境友好的。

前景展望

目前，碲化鎘薄膜太陽能電池的生產成本正在逐步接近、甚至低於傳統發電系統的，這種廉價的清潔能源在全世界範圍內引起了關注，各國均在大力研究解決制約碲化鎘薄膜太陽能電池發展的因素，相信上述問題不久將會逐個解決，從而使碲化鎘薄膜電池成為未來社會的主導新能源之一。

第一光伏的碲化鎘薄膜太陽能組件群