晶體硅和薄膜太陽(yáng)能電池是現(xiàn)在乃至未來十年的兩大主要技術(shù)陣營(yíng)，晶體硅太陽(yáng)能電池以高轉(zhuǎn)化效率在過去和現(xiàn)在都主導(dǎo)著全球光伏市場(chǎng)。2011年以來，全球光伏產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷高速發(fā)展后，帶來的是產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，多晶硅價(jià)格暴跌，大批晶硅太陽(yáng)能電池企業(yè)破產(chǎn)、重組或裁員。在上述背景下，高效而廉價(jià)的碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池因其本身所固有的良好材料性能和自身實(shí)踐，而被越來越多的投資者所關(guān)注，有可能成為未來光伏電池的主流產(chǎn)品之一。
一、碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池概況
一般而言，基于光吸收層材料體系的不同，薄膜太陽(yáng)能電池主要分為硅基薄膜太陽(yáng)能電池(如，非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜電池等)、化合物薄膜太陽(yáng)電池(如，碲化鎘、銅銦鎵硒及砷化鎵薄膜電池等)、有機(jī)和染料敏化太陽(yáng)能電池三類。其中，碲化鎘薄膜電池是一種以P型碲化鎘(CdTe)和N型硫化鎘(CdS)的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池[1]。碲化鎘為Ⅱ-Ⅳ族化合物，是直接帶隙半導(dǎo)體，光吸收強(qiáng)，其禁帶寬度與地面太陽(yáng)光譜有很好的匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，可吸收95%以上的太陽(yáng)光，是一種良好的太陽(yáng)能電池材料[2]。在各類薄膜光伏電池中，硅基薄膜光伏電池的轉(zhuǎn)換效率最低，且存在光致衰減的固有缺陷，加之生產(chǎn)設(shè)備投資大，因此其成本短時(shí)間內(nèi)難有明顯下降;盡管銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率最高，但是其發(fā)展受困于生產(chǎn)成本較高、工藝未標(biāo)準(zhǔn)化、銦和鎵的蘊(yùn)藏量有限等問題;而碲化鎘(CdTe)薄膜光伏電池由于生產(chǎn)成本低、性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率也比硅基薄膜電池高，其規(guī)?；慨a(chǎn)具有很高的性價(jià)比。因此，碲化鎘薄膜電池得到了較快發(fā)展。具體來看，碲化鎘薄膜電池主要有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)。
一是制造成本低。與其他太陽(yáng)能電池相比，碲化鎘薄膜電池具有較低的制造成本，這主要是由其電池結(jié)構(gòu)、原材料及制造工藝等方面決定的。首先，碲化鎘薄膜電池是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而形成的光伏器件。與其他太陽(yáng)能電池相比，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般而言，其電池由五層結(jié)構(gòu)組成，即玻璃襯底、透明導(dǎo)電氧化層(TCO層)、硫化鎘(CdS)窗口層、碲化鎘(CdTe)吸收層、背接觸層和背電極(見圖1)。碲化鎘薄膜電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)大大縮短了生產(chǎn)時(shí)間，使制造成本明顯下降。據(jù)美國(guó)FirstSolar公司數(shù)據(jù)顯示，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件(從玻璃襯底的安裝到電池組件出貨)的全流程生產(chǎn)時(shí)間小于2.5小時(shí)。其次，碲化鎘的吸收系數(shù)在可見光范圍高達(dá)105/cm(高于硅材料100倍)，太陽(yáng)光中有99%的能量高于碲化鎘禁帶寬度的光子可在2mm(微米)厚的吸收層內(nèi)被吸收，因此碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池理論上吸收層厚度在幾個(gè)微米左右，原材料消耗極少，因而碲化鎘電池制造成本較低。最后，碲化鎘屬于簡(jiǎn)單的二元化合物系統(tǒng)，容易生產(chǎn)單相材料，制備方法容易實(shí)施，有效降低了制造成本。目前已有10種以上的技術(shù)可制備轉(zhuǎn)換效率10%以上的碲化鎘小面積電池，其中已有5種技術(shù)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。特別是近距離升華(CSS)和氣相輸運(yùn)沉積(VTD)技術(shù)，具備沉積速率高(3-10mm/min)、膜質(zhì)好、晶粒大、原材料利用率高(>85%)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大規(guī)模生產(chǎn)。
圖1碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖
資料來源：FirstSolar公司。
二是轉(zhuǎn)換效率高。與晶硅、砷化鎵等其他類型的太陽(yáng)能電池相比，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池具有最高的理論光電轉(zhuǎn)換效率，約為30%(見圖2)。從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率看，碲化鎘薄膜電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)不斷接近晶體硅太陽(yáng)能電池。2013年4月9日，經(jīng)美國(guó)能源部下屬國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)驗(yàn)證，美國(guó)FirstSolar公司碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.7%，總面積組件效率達(dá)到16.1%，均創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄。從商業(yè)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率看，在各類薄膜太陽(yáng)能電池中，量產(chǎn)碲化鎘薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率僅次于銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池。目前，全球量產(chǎn)薄膜太陽(yáng)能電池的平均轉(zhuǎn)換效率約為10%，其中，量產(chǎn)CIGS、CdTe及非晶硅/微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的最高轉(zhuǎn)換效率分別為15.5%、13.1%、9.8%(見圖3)。
圖2各類太陽(yáng)能電池材料的理論光電轉(zhuǎn)換效率
資料來源：First Solar公司。
圖3目前全球各類量產(chǎn)太陽(yáng)能電池組件最高轉(zhuǎn)換效率及其制造商
注：全球目前各類量產(chǎn)太陽(yáng)能電池組件最高轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)均來自于各大公司網(wǎng)站相關(guān)光伏電池組件產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。目前FirstSolar公司最先進(jìn)的碲化鎘薄膜電池組件產(chǎn)品是FS-392(FSSeries3TM)，該產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的轉(zhuǎn)換效率為12.8%。
資料來源：各大公司網(wǎng)站。值得注意的是，我們上述所列舉的全球各類太陽(yáng)能電池制造商是現(xiàn)存的沒有破產(chǎn)的企業(yè)[3]。
三是溫度系數(shù)低。實(shí)踐表明，當(dāng)組件溫度上升，所有太陽(yáng)能電池將會(huì)出現(xiàn)性能損失，這主要是由于太陽(yáng)能電池開路電壓的下降。溫度系數(shù)(TemperatureCoefficient)是指太陽(yáng)能電池組件輸出功率隨著工作溫度的升高而變化的速率。一般而言，晶體硅太陽(yáng)能電池組件的溫度系數(shù)為-0.45%/℃至-0.50%/℃，即組件溫度每升高1℃，太陽(yáng)能電池組件的輸出功率降低0.45%至0.50%[4]。而碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.25%/℃，比晶體硅太陽(yáng)能電池低一半左右，所以更適合于高溫、沙漠及潮濕地區(qū)等嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境。較低的溫度系數(shù)意味著碲化鎘薄膜電池組件的輸出功率更不易受氣溫影響，也就代表著碲化鎘薄膜電池在更高的溫度下能提供更多的能量。美國(guó)FirstSolar公司實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電池組件溫度低于25℃時(shí)，多晶硅太陽(yáng)能電池組件的性能表現(xiàn)(用直流電源輸出功率與在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定功率之比來表示)要優(yōu)于碲化鎘太陽(yáng)能電池組件;當(dāng)電池組件溫度高于25℃，碲化鎘太陽(yáng)能電池組件的性能表現(xiàn)要優(yōu)于多晶硅電池(見圖4)。如，在電池組件溫度達(dá)到65℃(比標(biāo)準(zhǔn)溫度高40℃)時(shí)，傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)能電池組件的輸出功率減少了20%，而FirstSolar公司碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件僅減少約10%。這就意味著在炎熱的夏天或者高溫地區(qū)，碲化鎘太陽(yáng)能電池的實(shí)際發(fā)電量比晶硅太陽(yáng)能電池要高。
圖4碲化鎘與多晶硅太陽(yáng)能電池直流電源輸出功率與組件溫度關(guān)系圖
資料來源：First Solar公司。
四是弱光效應(yīng)好。碲化鎘薄膜電池的弱光效應(yīng)是其較于晶硅電池的另一大顯著優(yōu)勢(shì)。由于碲化鎘薄膜電池的光譜響應(yīng)范圍較寬，因此對(duì)弱光的敏感度高，具有較好的弱光效應(yīng)，使其無論在清晨、傍晚，還是陰云雨天等弱光環(huán)境下都能發(fā)電。因此，碲化鎘薄膜電池每天具有比晶硅電池長(zhǎng)得多的發(fā)電時(shí)間，其實(shí)際發(fā)電量要高于晶硅電池，這就補(bǔ)足了其發(fā)光效率相對(duì)較低的不足。
五是環(huán)境友好。大量的研究表明，碲化鎘(CdTe)薄膜電池組件是環(huán)保友好的產(chǎn)品。CdTe不同于有毒元素鎘(Cd)，是穩(wěn)定的化合物，能被安全使用。CdTe薄膜組件中CdTe用量很小，1MW碲化鎘組件僅需約250kg的碲化鎘。CdTe被密封在兩塊玻璃之間，常溫下沒有鎘的釋放。即使在1100℃的高溫下，根據(jù)美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)報(bào)告，99.96%的CdTe都被熔化的兩塊玻璃封住而沒有泄露。比較其他幾種太陽(yáng)能電池及其他能源，在碲化鎘太陽(yáng)能電池組件制備和使用全壽命周期內(nèi)，總的鎘排放量為最低(見圖5)。歐洲PVAcceptProject報(bào)告顯示，碲化鎘薄膜電池的能量回收期僅為10.8個(gè)月，美國(guó)FirstSolar公司的實(shí)踐也已證明其為10個(gè)月，而晶體硅電池的能量回收期則為2.5-3年[5]。碲化鎘薄膜電池組件生產(chǎn)廠商回收廢舊碲化鎘組件，并應(yīng)用已開發(fā)的廢舊組件再利用技術(shù)，可重新利用其中的主要原材料，這樣既加強(qiáng)環(huán)保又逐步實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式。2011年，歐盟已經(jīng)豁免了RoHS(全稱為《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》)的要求，大量碲化鎘電池組件已廣泛應(yīng)用于德國(guó)、西班牙、意大利等一些歐盟國(guó)家。
圖5各種光伏系統(tǒng)和能源在制造和使用全壽命期鎘的排放
注：GWh是電功的單位，1GWh=106KWh(千瓦時(shí))。UCTE是指歐洲輸電協(xié)調(diào)聯(lián)盟。
資料來源：龍焱能源科技(杭州)有限公司。
雖然碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池具有工藝簡(jiǎn)單、易規(guī)?；a(chǎn)、性能穩(wěn)定、成本低、效率高等優(yōu)勢(shì)，但也面臨著以下幾方面的突出問題。
一是碲化鎘(CdTe)本身的局限性。首先，是因?yàn)镃dTe本身具有很強(qiáng)的自補(bǔ)償效應(yīng)，很難像硅等半導(dǎo)體一樣通過摻入雜質(zhì)元素，電控電學(xué)性能。其次，CdTe載流子濃度低，薄膜電阻率大，因而影響電池的電流輸出。最后，CdTe的功率函數(shù)高達(dá)5.5eV，與尋常背電極金屬材料難以形成歐姆接觸。
二是關(guān)鍵原料碲(Te)的供應(yīng)不足。從原材料的稀缺性角度考慮，碲(Te)的天然蘊(yùn)藏量有限將會(huì)制約碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期發(fā)展。碲(Te)是一種銀白色稀有類金屬元素，主要伴生于銅、鉛鋅等金屬礦產(chǎn)中，廣泛應(yīng)用于冶金、電子、化學(xué)、玻璃等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)上，碲主要是從電解銅或冶煉鋅的廢料中回收得到。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)全球碲的地質(zhì)儲(chǔ)量莫衷一是。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)顯示，全球碲的儲(chǔ)量?jī)H為2.4萬(wàn)噸左右，主要分布在美國(guó)、秘魯、加拿大等國(guó)家和地區(qū)。而我國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道認(rèn)為，全球碲的地質(zhì)儲(chǔ)量為14.9萬(wàn)噸，我國(guó)碲儲(chǔ)量約為2.2萬(wàn)噸，居全球第三位，主要集中于廣東、江西、甘肅等省。我們姑且認(rèn)為，全球碲的儲(chǔ)量在2.4萬(wàn)噸和14.9萬(wàn)噸之間。
如果按照制造1MW薄膜太陽(yáng)能電池組件約需130-140公斤碲來測(cè)算的話，那么根據(jù)碲的上述探明儲(chǔ)量范圍(2.4-14.9萬(wàn)噸)，地球上的碲資源可以供100個(gè)年生產(chǎn)能力為100MW的生產(chǎn)線用17年到115年之間。因此，樂觀看來，全球碲資源儲(chǔ)量是可以滿足生產(chǎn)需求的。但如果從經(jīng)濟(jì)層面考慮，碲原料價(jià)格的不斷上漲卻成為碲化鎘電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大桎梏。2000年，當(dāng)全球碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池還沒有大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，碲原料價(jià)格每公斤僅為34.4美元，全球產(chǎn)量為110噸。但隨著碲化鎘薄膜電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，碲原料的價(jià)格不斷攀升，2011年全球碲原料平均市場(chǎng)價(jià)格為每公斤349.0美元。12年間，全球碲原料價(jià)格上漲了十多倍(見圖6)。當(dāng)前全球只有美國(guó)FirstSolar量產(chǎn)碲化鎘電池，年產(chǎn)量約為1900MW。但是，如果今后有的新的廠家大量涌現(xiàn)，全球碲化鎘電池的產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，那么這種稀缺性原材料碲的市場(chǎng)價(jià)格必然會(huì)瘋狂上漲，繼而導(dǎo)致碲化鎘薄膜電池的生產(chǎn)成本不斷增加，電池的經(jīng)濟(jì)性也將不斷降低。
圖6 2000-2012年全球碲原料平均市場(chǎng)價(jià)格(美元/公斤)
注：由于2012年全球光伏市場(chǎng)的持續(xù)低迷，碲化鎘化合物太陽(yáng)能電池和化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)诘男枨笙陆?，碲的價(jià)格出現(xiàn)大幅下跌。
資料來源：美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)“HistoricalStatisticsforMineralandMaterialCommoditiesintheUnitedStates”。
二、全球碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
(一)關(guān)鍵技術(shù)
對(duì)于碲化鎘薄膜電池的制備而言，不論是哪一項(xiàng)沉積工藝步驟，都存在許多不同的沉積技術(shù)。這些技術(shù)包括：氣相輸運(yùn)沉積(VTD)、近距離升華(CSS)、常壓物理氣相沉積(APPVD)、濺射沉積、電鍍沉積等十余種技術(shù)。實(shí)踐證明，在如此眾多的技術(shù)中，氣相輸運(yùn)沉積(VTD)技術(shù)和近距離升華(CSS)技術(shù)最適合于工業(yè)化生產(chǎn)。其中，VTD技術(shù)的主要特點(diǎn)是鍍膜速度快，均勻性高，產(chǎn)量大，材料利用率高，無需更換原材料，技術(shù)獨(dú)有性強(qiáng)，后續(xù)器件工藝與其他技術(shù)兼容;CSS技術(shù)的主要特點(diǎn)是：鍍膜速度快，容易獲得高效率產(chǎn)品，均勻性設(shè)計(jì)對(duì)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)依賴性強(qiáng)，原材料更換需要特別設(shè)計(jì)，主要技術(shù)公開，后續(xù)器件工藝與其他技術(shù)兼容。
從全球碲化鎘薄膜電池制造商所在技術(shù)陣營(yíng)看，美國(guó)FirstSolar公司是全球唯一一家采用氣相輸運(yùn)沉積(VTD)技術(shù)的企業(yè)。VTD技術(shù)是FirstSolar公司的專利技術(shù)，并嚴(yán)格禁止其他企業(yè)采用;近距離升華(CSS)技術(shù)由于技術(shù)公開，全球大部分企業(yè)都采用該項(xiàng)技術(shù)，主要代表企業(yè)是美國(guó)的AboundSolar及通用電氣(GE)，德國(guó)的AntecSolar及CTFSolar，意大利的ARENDI等;常壓物理氣相沉積(APPVD)技術(shù)的專利擁有者則是美國(guó)俄亥俄州的SolarFields公司及其子公司德國(guó)Calyxo(見表1)。表1中有的公司由于生產(chǎn)成本高等原因，已經(jīng)終止已有的生產(chǎn)能力，并申請(qǐng)破產(chǎn)，如美國(guó)Aboundsolar(原AVASolar)公司;很多公司盡管已投入大量資金建立了生產(chǎn)線，但至今仍未形成大規(guī)模生產(chǎn)能力，如意大利ARENDI、德國(guó)AntecSolar等?？傊壳叭蚰軌虼笠?guī)模生產(chǎn)碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件的企業(yè)只有美國(guó)FirstSolar一家，其產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的95%以上?？梢姡诨k薄膜電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化并不是一件單純的技術(shù)工作，而是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化有較大的難度。
表1全球主要碲化鎘薄膜電池制造商及技術(shù)路線
注：由于全球大部分碲化鎘薄膜電池制造商規(guī)模較小，而且不是上市公司，因此其電池組件產(chǎn)量數(shù)據(jù)極為缺乏。2012年，德國(guó)Calyxo公司投入運(yùn)營(yíng)其第二條60MW碲化鎘薄膜電池生產(chǎn)線，之前該公司擁有一條25MW碲化鎘薄膜電池生產(chǎn)線。2012年7月，美國(guó)Aboundsolar(原AVASolar)公司申請(qǐng)破產(chǎn)。2011年4月，美國(guó)通用電氣(GE)集團(tuán)兼并全球知名的碲化鎘薄膜電池組件制造商PrimeStarSolar公司，從而進(jìn)軍碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。ARENDISRL公司隸屬于意大利瑪切嘉利(Marcegaglia)集團(tuán)下屬的EuroEnergy集團(tuán)。
資料來源：上述各公司網(wǎng)站。
(二)產(chǎn)業(yè)規(guī)模
目前，在全球各類太陽(yáng)能電池中，晶體硅(單晶硅+多晶硅)電池產(chǎn)量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所占比重超過85%;薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量居其次，所占比重約為14%;帶狀晶體硅及聚光等其他類型太陽(yáng)能電池產(chǎn)量非常小，所占比重約為1%。如圖7所示，1980年，全球太陽(yáng)能電池市場(chǎng)以單晶硅電池為主，其產(chǎn)量所占比重高達(dá)96%，而多晶硅電池和帶狀晶體硅電池僅占4%左右。隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，單晶硅太陽(yáng)能電池所占比重不斷下降，多晶硅及薄膜太陽(yáng)能電池所占比重不斷上升。
2011年，多晶硅、單晶硅及薄膜等電池占全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量的比重分別達(dá)到45.4%、40.0%、14.1%。2012年，全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到37400MW，同比增長(zhǎng)6.3%。其中，晶體硅太陽(yáng)能電池所占比重進(jìn)一步上升，約占總產(chǎn)量的88.2%;薄膜太陽(yáng)能電池所占比重出現(xiàn)下滑，約占總產(chǎn)量的10.7%。
圖71980-2011年全球各類太陽(yáng)能電池產(chǎn)量所占比重變動(dòng)趨勢(shì)圖
資料來源：德國(guó)弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“PhotovoltaicsReport”，2012年12月11日。
目前，在薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)中，以碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量最大，其市場(chǎng)占有率在2009年達(dá)到峰值;排名第二的是銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池。2007年以來，伴隨著部分CIGS廠商的技術(shù)突破、轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，CIGS薄膜光伏電池再度得以快速發(fā)展，其所占市場(chǎng)份額在2011年超過非晶硅薄膜電池，位居第二;2006年以前，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量所占市場(chǎng)份額排名第一，但由于轉(zhuǎn)換效率低且存在光致衰退的固有缺陷，其市場(chǎng)占有率從2000年開始逐步萎縮，并最終排名第三(見圖8)。根據(jù)德國(guó)弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所數(shù)據(jù)顯示，2011年全球薄膜太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量約為3383MW，其中碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)及非晶硅(a-Si)等薄膜電池的產(chǎn)量分別約為2081MW、694MW、608MW，所占比重分別為61.5%、20.5%、18.0%(見圖9)。
圖82000-2011年各類薄膜電池占全球光伏電池總產(chǎn)量的比重
資料來源：德國(guó)弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“PhotovoltaicsReport”，2012年12月11日。
圖92000-2011年各類薄膜光伏電池組件產(chǎn)量(單位：MW)
資料來源：德國(guó)弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所“PhotovoltaicsReport”，2012年12月11日。
(三)發(fā)展前景
經(jīng)過十多年的使用，碲化鎘光伏電池組件初步證明效率較高、性能穩(wěn)定，已被市場(chǎng)所接受。目前，全世界在建和已完成的十個(gè)大型光伏電站，其中有6個(gè)光伏電站并且包括最大的3個(gè)電站(裝機(jī)量≥290MW)都是采用的碲化鎘薄膜電池組件(見表2)。碲化鎘薄膜電池組件除用于大型并網(wǎng)光伏電站外，已開始逐步進(jìn)入民用供電，如企業(yè)、機(jī)關(guān)、學(xué)校等分布式用戶側(cè)小規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。
2011年下半年以來，由于全球光伏市場(chǎng)需求持續(xù)疲軟和殘酷的競(jìng)爭(zhēng)，以及由于美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家低于成本價(jià)傾銷多晶硅，使晶體硅太陽(yáng)能電池的價(jià)格極具競(jìng)爭(zhēng)力，而碲化鎘等薄膜光伏電池在成本上與晶硅電池相比已經(jīng)不具競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)據(jù)顯示，2012年，美國(guó)FirstSolar公司碲化鎘薄膜電池組件成本為0.73美元/瓦，而中國(guó)的晶體硅電池制造商晶科能源、晶澳太陽(yáng)能的組件成本已經(jīng)低至0.62美元/瓦、0.64美元/瓦(見圖10)。進(jìn)入2012年，伴隨著美國(guó)Aboundsolar公司的破產(chǎn)，碲化鎘薄膜電池產(chǎn)業(yè)也隨著整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了嚴(yán)冬。全球最大的碲化鎘光伏電池生產(chǎn)商FirstSolar為度過光伏寒冬期，一方面選擇與Intermolecular公司合作，以期加快材料和流程的研發(fā)，縮短高效碲化鎘薄膜光伏組件的上市時(shí)間。同時(shí)，F(xiàn)irstSolar公司也進(jìn)軍單晶硅電池領(lǐng)域，收購(gòu)美國(guó)單晶硅電池制造商TetraSun，并計(jì)劃與2014年下半年開始試驗(yàn)性生產(chǎn)銅基單晶硅電池。另一方面，為減少成本，F(xiàn)irstSolar關(guān)閉了位于德國(guó)法蘭克福的一家工廠，裁員1050名;閑置了在馬來西亞的部分工廠，減少了30%的員工，2012年FirstSolar共減少2000個(gè)工作崗位。
圖102012年全球各類太陽(yáng)能電池組件成本比較(單位：美元/瓦)
注：上述各公司，除美國(guó)FirstSolar公司生產(chǎn)碲化鎘薄膜電池外，其余廠商均為晶體硅電池制造商。由于上述所列公司，有些沒有公布其光伏電池組件成本(生產(chǎn)成本+銷售成本)，我們姑且用其年報(bào)中相關(guān)數(shù)據(jù)(太陽(yáng)能電池組件的收入成本/太陽(yáng)能電池組件的產(chǎn)能)來估算組件成本。
資料來源：上述公司年報(bào)數(shù)據(jù)整理。
表2全球十大在建大型太陽(yáng)能光伏電站項(xiàng)目
資料來源：中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)。
三、我國(guó)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用的基本情況
(一)研究歷程
我國(guó)碲化鎘(CdTe)薄膜電池的研究工作開始于上世紀(jì)80年代初。早期內(nèi)蒙古大學(xué)、新疆大學(xué)、云南師范大學(xué)等采用蒸發(fā)技術(shù)、濺射等方法研究和制備碲化鎘薄膜電池，研究主要集中在材料性能的研究，制備出的小面積電池效率達(dá)到6%左右。上世紀(jì)90年代后期，四川大學(xué)開始了碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的研究，在“九五”期間，四川大學(xué)承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計(jì)劃，采用近距離升華沉積技術(shù)研究制備CdTe薄膜電池，并取得很好的成績(jī)，小面積電池效率突破13.38%。“十五”期間，CdTe薄膜電池研究被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”重點(diǎn)項(xiàng)目，“十一五”期間計(jì)劃建立一條0.2MW的中試線，四川大學(xué)逐漸成為國(guó)內(nèi)CdTe太陽(yáng)能電池的主要研究單位。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是近幾年國(guó)外CdTe電池的發(fā)展，包括上海技術(shù)物理研究所在內(nèi)的中科院一些研究單位也加入其中，在中科院“太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃”的支持下，開展高性能CdTe電池以及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的研究，上海太陽(yáng)能電池研究與發(fā)展中心等在普通商用玻璃上制備的1cm2面積CdTe電池效率在10%以上，0.07cm2面積接近14%;中科院電工所2微米(μm)厚的CdTe電池效率達(dá)到12.78%。
(二)發(fā)展差距
盡管國(guó)內(nèi)研究取得了一些進(jìn)展，但和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距。
一是從產(chǎn)業(yè)化看，目前以美國(guó)FirstSolar等為代表的企業(yè)形成了上GW(1GW=1000MW)的生產(chǎn)規(guī)模，而國(guó)內(nèi)碲化鎘薄膜電池組件生產(chǎn)還處于起步階段。國(guó)內(nèi)僅有龍焱能源科技(杭州)有限公司生產(chǎn)出平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.39%的碲化鎘薄膜電池組件產(chǎn)品ASP系列，并建成了一條年產(chǎn)30MWCdTe薄膜電池組件的生產(chǎn)線。但不可否認(rèn)的是，龍焱能源科技的ASP系列產(chǎn)品剛剛上市，產(chǎn)量和產(chǎn)品種類非常少，銷售情況仍處于起步，離產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的距離。其他企事業(yè)單位，如四川大學(xué)在2008年和尚德公司合作承擔(dān)2MW中試線技術(shù)開發(fā)，但目前還沒有成功的報(bào)道。2009年底，四川阿波羅太陽(yáng)能公司宣稱5MW中試線運(yùn)行，但直到現(xiàn)在還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)。
二是從研究投入看，與美國(guó)相比，我國(guó)政府對(duì)碲化鎘薄膜電池的研究經(jīng)費(fèi)支持力度還比較小。上世紀(jì)90年代中期，美國(guó)政府開始專項(xiàng)投入CdTe太陽(yáng)能電池的研究。美國(guó)能源部先后發(fā)布“薄膜合作組織計(jì)劃”和“高性能光伏計(jì)劃”，制定了中(2006)、長(zhǎng)期(2015)薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展規(guī)劃。其中，CdTe電池是研究的一部分，由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)牽頭，組織大學(xué)、研究所和企業(yè)參與，每三年為一個(gè)研發(fā)周期，完成一定的目標(biāo)，研發(fā)投入每年約為幾百萬(wàn)美元。雖然我國(guó)對(duì)CdTe電池研發(fā)支持的時(shí)間與美國(guó)基本一致，但經(jīng)費(fèi)支持規(guī)模卻明顯偏小。如，從1990年以后，國(guó)內(nèi)對(duì)CdTe太陽(yáng)能電池研究投入陸續(xù)增加，國(guó)家自然基金在基礎(chǔ)研究方面給予一定的支持，經(jīng)費(fèi)僅為幾萬(wàn)元到幾十萬(wàn)元，參與的單位各自提出獨(dú)立的研究課題。
2000年開始的“十五”期間，科技部“863”、“973”計(jì)劃對(duì)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)行專門的支持，組織多家單位進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，CdTe電池的研究作為其中的一部分落在四川大學(xué)，支持力度為幾百萬(wàn)元。2008年科技部“863”計(jì)劃又一次對(duì)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)行支持，支持與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行2MW中試產(chǎn)業(yè)化的研究，CdTe太陽(yáng)電池也是其中的一個(gè)課題，由四川大學(xué)和尚德公司合作承擔(dān)，支持力度達(dá)到1600萬(wàn)元，企業(yè)匹配6400萬(wàn)元。雖然，我國(guó)對(duì)CdTe太陽(yáng)能電池的經(jīng)費(fèi)支持力度逐漸增大，從支持技術(shù)研究逐漸到支持產(chǎn)業(yè)化的研究。但國(guó)內(nèi)目前的研發(fā)投入沒有形成團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的局面，還是集中在一個(gè)點(diǎn)上，缺乏廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)，只依靠一個(gè)單位或一個(gè)企業(yè)，成功的風(fēng)險(xiǎn)很大，往往只有投入沒有產(chǎn)出。因此，國(guó)內(nèi)的CdTe技術(shù)研發(fā)需要一個(gè)由研發(fā)單位和企業(yè)組成的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)。
(三)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)
雖然我國(guó)碲化鎘薄膜電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍處于起步階段，但是已經(jīng)具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
首先，碲化鎘薄膜電池的原材料國(guó)內(nèi)完全能夠提供，從礦石開采到高純材料提純，我國(guó)都有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。目前，大多數(shù)的Cd(鎘)和Te(碲)原材料都是鉛鋅銅礦開采的副產(chǎn)品，我國(guó)鎘礦資源約占世界鎘礦資源總量的23%，居世界第一位，碲的儲(chǔ)量在世界上處于第三位。四川阿波羅太陽(yáng)能公司新建有高純Cd、Te以及合成高純CdTe的原材料生產(chǎn)線，每年可以向外提供幾十噸的高純材料;峨嵋半導(dǎo)體廠去年擴(kuò)建了高純車間，具有年產(chǎn)十幾噸的生產(chǎn)能力，正在等待國(guó)內(nèi)CdTe電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
其次，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位和企業(yè)已經(jīng)介入碲化鎘薄膜電池技術(shù)中。四川大學(xué)一直在進(jìn)行CdTe電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的研究;中科院的太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃把開發(fā)產(chǎn)業(yè)化的CdTe電池技術(shù)作為重點(diǎn)，組織了多家研究所進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān);四川大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理研究所都在進(jìn)行中試規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的研究;杭州龍焱能源科技已建成一條年產(chǎn)30MWCdTe薄膜電池組件的生產(chǎn)線，并生產(chǎn)出平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.39%的CdTe電池組件產(chǎn)品。這些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)構(gòu)成了我國(guó)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展不可缺少的載體。因此，無論從太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)還是從國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略考慮，目前，我國(guó)需要重視CdTe薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，從國(guó)家能源技術(shù)儲(chǔ)備角度來抓好產(chǎn)業(yè)化布局。
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