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綠色低碳是我國“十四五”期間重要發(fā)展目標，而光伏發(fā)電則是實現(xiàn)這一目標的主力軍。在光伏行業(yè)快速發(fā)展的過程中，除了晶體硅電池備受關注之外，以碲化鎘為吸收層的薄膜電池同樣受到業(yè)界聚焦。
碲化鎘（CdTe）是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，形狀呈黑色晶體顆粒或粉末，熔點達1092℃，相對分子量240，晶體結構為閃鋅礦型，具有直接躍遷型能帶結構。其晶格常數(shù)為0.6481nm，禁帶寬度為1.45eV，室溫電子遷移率為1050 c㎡/(Vs)，室溫空穴遷移率為80 c㎡/(Vs)。碲化鎘化學鍵的鍵能高達5.7eV，是鎘元素在自然界中最穩(wěn)定的化合態(tài)之一。因此，碲化鎘在常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，且不溶于水、弱酸，在工業(yè)生產(chǎn)和使用過程中比較安全。
值得一提的是，碲化鎘太陽電池的光譜響應與地面太陽光譜分布非常匹配，實際發(fā)電能力強。
碲化鎘性能穩(wěn)定，光能吸收系數(shù)高，通過摻入不同雜質(zhì)能獲取N型或P型半導體材料，可用于核輻射探測器（醫(yī)學用）、紅外電光調(diào)制器、紅外探測器、紅外透鏡和窗口等器件制造。在光伏領域，碲化鎘被視為制備大尺寸太陽能薄膜電池的關鍵原材料。僅僅2μm（微米）厚度的碲化鎘薄膜，在標準AM1.5條件下光學吸收率超過90%，最高理論轉換效率高達33%，因此太陽能成為碲化鎘最大的應用領域。通常情況下，光伏行業(yè)需要用到5N純度的碲化鎘。
與其它太陽能電池相比，碲化鎘薄膜太陽能電池結構比較簡單；一般而言，傳統(tǒng)結構由五層組成，即玻璃襯底、透明導電氧化層（TCO層）、硫化鎘（CdS）窗口層、碲化鎘（CdTe）吸收層、背接觸層和背電極，如下圖所示。
▲ 碲化鎘薄膜太陽能電池的傳統(tǒng)結構
光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，薄膜電池現(xiàn)已發(fā)展出包括碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）、砷化鎵（GaAs）、非晶硅薄膜、有機薄膜、鈣鈦礦等多種技術路線，碲化鎘是目前為止市占率最高的薄膜組件類型，在薄膜組件中占比超過95%。
碲化鎘薄膜太陽電池特點可總結為：
1、碲化鎘的禁帶寬度為1.45eV，是與地面太陽能光譜最匹配的太陽電池吸收層材料；
2、碲化鎘是直接帶隙材料，吸收系數(shù)> 105/cm，吸收系數(shù)高，是硅材料的100倍；
3、溫度系數(shù)低：碲化鎘禁帶寬度高于晶硅，溫度系數(shù)約為晶硅的一半，夏季組件的溫度可超過65℃，由于溫度升高造成的功率損失碲化鎘組件要比晶硅組件少10%左右；
4、熱斑效應小：碲化鎘薄膜組件是長條子電池設計，減少了熱斑效應，在提高發(fā)電能力的同時，改善了產(chǎn)品壽命和安全性；
5、色彩均勻，美觀大方：大面積碲化鎘光伏組件色彩均勻，美觀，整體感強，特別適合于對美觀要求較高的建筑；
6、發(fā)電效率高：碲化鎘電池理論極限轉化效率32％-33%;目前小面積電池光電轉換效率世界記錄為22.1%, 組件效率19%,并且還有較大的提升空間;
7、定制化程度高：龍焱特有的生產(chǎn)工藝技術，現(xiàn)已開發(fā)出發(fā)電墻、發(fā)電瓦、發(fā)電磚等8大類，50余種可適用于不同建筑應用場景的碲化鎘薄膜光伏發(fā)電建材產(chǎn)品，可根據(jù)不同需求靈活定制顏色、圖案、形狀、尺寸、透光度等，逐步實現(xiàn)在建筑應用中用光伏發(fā)電建材替代傳統(tǒng)建材的宏偉目標。
▲ 龍焱部分碲化鎘薄膜光伏建材產(chǎn)品
隨著國內(nèi)建筑節(jié)能的政策體系逐步完善，政府對建筑節(jié)能的重視程度明顯提升。若要實現(xiàn)雙碳目標，離不開光伏建筑一體化（BIPV）這個重要路徑。2020年，我國住建部等7部委發(fā)布綠色建筑相關行動方案，方案以2022年新建綠色建筑占比70%為目標，要求引導政府投資工程率先采用綠色建材。通過碲化鎘薄膜電池技術制備的碲化鎘發(fā)電玻璃建材，正是新一代綠色建筑材料。
相比于晶硅組件，碲化鎘薄膜組件具有吸收系數(shù)高、熱斑效應小、弱光效應好、美觀度高、可定制性強等特點，可以靈活應用用于建筑屋頂、幕墻等多種建筑結構上，并最大限度利用建筑的表面增加有效發(fā)電面積，滿足多角度建筑發(fā)電需求，最終從源頭上減少建筑碳排放。在利好政策推動下，未來碲化鎘薄膜光伏組件的需求還將進一步擴大。
▲龍焱碲化鎘薄膜光伏產(chǎn)品在BIPV項目和光伏電站中的應用
碲化鎘薄膜電池技術產(chǎn)業(yè)化并不是一件單純的技術工作，而是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，龍焱能源于2008年由國際光伏專家吳選之教授等人創(chuàng)建，承擔了國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）先進能源領域課題，成功打破國外技術壟斷，率先在2011年在中國實現(xiàn)了完全自主研發(fā)碲化鎘薄膜太陽能技術產(chǎn)業(yè)化，電池效率達到國內(nèi)外卓越水平。
經(jīng)過14年的發(fā)展，龍焱能源除了碲化鎘標準光伏組件廣泛應用于光伏電站項目中，研發(fā)生產(chǎn)的各類碲化鎘光電建材更是受到建筑行業(yè)的青睞，產(chǎn)品已成功應用于世園會中國館、雄安新區(qū)商務中心、大同能源館、嘉興火車站、鄂州順豐花湖機場、北京冬奧會噴泉廣場水下光伏、中國建研院光電示范建筑等國內(nèi)外百余個標志性光電建筑項目中(部分應用項目見上圖)。
以下為六個碲化鎘薄膜電池的常見問題解答：
一問：碲化鎘電池轉化效率比晶硅電池轉化效率低，是不是就等同于碲化鎘組件沒有晶硅組件的發(fā)電能力好？
答：否。
1、太陽電池具有很強的材料屬性，其中包括吸收層材料的晶體結構；正如多晶硅電池效率永遠低于單瞐硅電池一樣，用多晶碲化鎘薄膜太陽電池的效率與單晶硅電池相比是不科學的。亊實上，多晶碲化鎘薄膜太陽電池的效率，無論是實驗室電池或組件效率均已經(jīng)與多瞐硅電池相近；而且還存在較大空間去進一步提升它的效率。
2、光伏電站投資成本按裝機容量計算，光伏組件銷售價格按功率瓦數(shù)銷售；在現(xiàn)階段碲化鎘組件產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)模及生產(chǎn)原料需求量均遠遠小于晶硅組件情況下，碲化鎘組件的生產(chǎn)成本已經(jīng)與晶硅組件持平，隨著碲化鎘薄膜電池產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蜕a(chǎn)技術不斷提升，碲化鎘組件未來的降本空間遠大于晶硅組件。
3、唯轉換效率影響發(fā)電能力的觀點是否正確？當前光伏組件的光伏性能測試是在標準測試條件（STC）下進行：AM=1.5；1000W/㎡；25oC。太陽電池轉化效率只能直接影響單位面積裝機容量，但并不決定發(fā)電量；因為這僅僅是在標準測試環(huán)境下的情況。光伏項目實際安裝環(huán)境中，很多因素會影響發(fā)電，如溫度、輻照強度、陰影遮擋、安裝角度、朝向、組件積灰、天氣情況等。不同光伏組件技術使用的半導體材料不同，導致對光的吸收系數(shù)和溫度系數(shù)都不同。在實際應用場景中，由于碲化鎘組件的吸收系數(shù)高、溫度系數(shù)小以及熱斑效應小等特點，它的實際發(fā)電能力反而更顯優(yōu)勢。實際上已有很多按裝功率相同的晶硅和碲化鎘光伏對比電站都已證明了碲化鎘組件的發(fā)電優(yōu)勢。
4、各種光伏電池技術轉化效率都在提升。晶硅PERC轉化效率已經(jīng)快到極限(24.5%)，晶硅廠商重點向N型TOPCon、HJT布局；碲化鎘電池理論極限轉化效率32％-33%，龍焱碲化鎘電池轉化效率每年穩(wěn)步提升，已經(jīng)接近21%，未來還有非常大的提升空間。
二問：碲化鎘中的鎘有毒，大規(guī)模應用會對人體和環(huán)境造成傷害？
答：不會的。
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(chǎn)和使用會對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。
美國布魯克文國家實驗室有關研究表明：石油的鎘排放量是最高的，達到44.3g/GWh，煤次之，為3.7g/GWh。而各種太陽能電池的排放量均小于1g/GWh，其中又以碲化鎘的鎘排放量最低，為0.3g/GWh，與天然氣相同；硅太陽能電池的鎘排放量大約是碲化鎘太陽能電池的兩倍。
他們還研究了硅太陽能電池和碲化鎘太陽能電池生產(chǎn)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硅太陽能電池的低。該研究報告結論是基于對美國First Solar公司碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)線、碲化鎘太陽能電池組件使用現(xiàn)場的系統(tǒng)考察，和對其他太陽能電池、能源的實際生產(chǎn)企業(yè)的工藝、相關產(chǎn)品的使用環(huán)境研究分析得出。研究結果的科學性、公正性得到國內(nèi)外的認可。
另外美國First Solar和國內(nèi)龍焱能源,自公司成立以來，每年都對公司員工進行血液、尿液檢測，結果表明鎘指標遠低于安全閾值。
三問：碲是稀有元素，全球探明儲量只有14萬噸，未來會限制碲化鎘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展？
答：不會的。
1、碲的稀缺程度不僅要看供應量，還要看需求量
碲是銅礦的副產(chǎn)品，也就是來自銅礦的礦渣，以及以冶煉廠的陽極泥等廢料的形式存在?，F(xiàn)在隨著碲化鎘薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和產(chǎn)能的不斷提升，這些曾經(jīng)的礦渣廢料得到了最環(huán)保、綠色的循環(huán)利用。碲除了在紅外線雷達中有極少量使用，基本沒有太多別的用途，它現(xiàn)在主要用于碲化鎘薄膜太陽電池組件生產(chǎn)使用。
2、生產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽能電池使用的碲量非常少
按現(xiàn)有碲化鎘薄膜電池工藝水平，生產(chǎn)1GW碲化鎘薄膜光伏組件僅需40噸碲，14萬噸碲可以生產(chǎn)約3500GW碲化鎘薄膜光伏組件，按全球每年生產(chǎn)50GW碲化鎘薄膜光伏組件計算，可以滿足70年的碲耗量。
3、碲化鎘薄膜光伏組件回收技術已經(jīng)實現(xiàn)碲回收率達90%
First Solar、龍焱能源會與客戶在銷售合同中簽訂組件回收至原廠的專門條款。龍焱已經(jīng)成功研發(fā)廢舊組件的回收和再利用的專利技術，廢舊組件主要包括在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的廢品組件、客戶在使用中產(chǎn)生的破損組件以及壽命終止需回收的報廢組件。碲化鎘薄膜光伏組件在戶外工作25年后，因為組件釆用雙玻封裝技術，碲量不會減少；且廢舊組件回收后碲的回收率可以達到90%。這樣既解決了環(huán)保問題，也解決了廢舊組件回收問題。
四問：碲化鎘薄膜光伏組件比晶硅組件價格高？
答：碲化鎘薄膜光伏組件價格比晶硅組件目前持平，未來有明顯優(yōu)勢。
1、地面電站、分布式工商業(yè)光伏電站、戶用光伏電站等常規(guī)光伏電站釆用的標準碲化鎘光伏組件的生產(chǎn)成本已經(jīng)與晶硅組件生產(chǎn)成本持平。
目前碲化鎘組件的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模及生產(chǎn)原料耗量遠小于晶硅組件，隨著碲化鎘電池產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蜕a(chǎn)技術不斷提升，碲化鎘光伏組件的降本空間遠大于晶硅組件，未來極有可能出現(xiàn)碲化鎘光伏組件價格低于晶硅組件的情況。
2、建筑光伏一體化(BIPV)項目
開發(fā)和采用光伏發(fā)電建材是助力實現(xiàn)發(fā)電建筑的重要途徑。用于BIPV項目中的碲化鎘光伏發(fā)電建材產(chǎn)品與常規(guī)電站中的光伏組件是完全不同的兩類產(chǎn)品：碲化鎘光伏發(fā)電建材最重要的功能實現(xiàn)建材功能，可以替代傳統(tǒng)建材，同時要兼顧發(fā)電功能。所以產(chǎn)品首先要滿足建筑的安全可靠、透光度、保溫隔熱、美觀、防結露、尺寸變化等要求，同時要兼顧考慮發(fā)電、節(jié)能功能。
常規(guī)光伏組件的價格與碲化鎘光電建材的價格是不能簡單等同對比，兩者本身就是應用于不同場景的產(chǎn)品；同樣理由，晶硅組件制作成光電建材產(chǎn)品，成本也會大幅增加，甚至高于碲化鎘光電建材產(chǎn)品。
五問：碲化鎘薄膜太陽能電池在火災中會產(chǎn)生健康危害嗎？
答：不會的。
碲化鎘的熔點是1041℃，在大氣壓下從1050℃開始蒸發(fā)，而火焰的溫度為800℃－1000℃，不足以使碲化鎘蒸發(fā)。碲化鎘確實會在500℃以上升華，但這一現(xiàn)象只在2.5torr（0.003atm）的氣壓下發(fā)生。而硫化鎘的熔點高達1750℃，要使其在800℃升華得將氣壓調(diào)到0.1torr。
美國布魯克海文國家實驗室和德國的GSF學院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筑物發(fā)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于熔化，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(fā)生火災的幾率，得出使用過程中，鎘的排放量不到0.06mg/GWh。
六問：碲化鎘光伏組件產(chǎn)線設備的投資成本高？
答：否。
晶硅產(chǎn)業(yè)鏈從上游的多晶硅料，到中游的硅片和電池片，再到下游的光伏組件，每個環(huán)節(jié)都需要非常多的生產(chǎn)設備、配備設施以及資金投入。與晶硅產(chǎn)業(yè)鏈相比，碲化鎘的產(chǎn)業(yè)鏈則要短很多。僅300米長的碲化鎘光伏組件全自動生產(chǎn)線，就可能實現(xiàn)從原材料光伏玻璃的磨邊清洗，到化合物半導體薄膜的制備，再到最后光伏組件成品封裝測試的完整生產(chǎn)流程。
另外隨著碲化鎘組件產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增加、生產(chǎn)技術的不斷提升以及生產(chǎn)設備的標準化生產(chǎn)，碲化鎘光伏組件的產(chǎn)線設備還有很大的降本空間。
所以，無論是從產(chǎn)線設備資金投入角度，還是從光伏組件生產(chǎn)能耗角度看，碲化鎘的產(chǎn)業(yè)鏈都更具優(yōu)勢。
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