碲化镉薄膜太阳电池：性能及应用探析

CdTe薄膜太阳电池技术，是薄膜电池中历史最久、被密集探讨最多的一种技术。CdTe是直接能隙半导体，其能隙宽度与太阳光谱有很好的匹配，而且它的能隙较宽，在较高的环境温度下也能正常工作，具有很好的抗辐射性能。此外，CdTe太阳电池由多晶的薄膜所构成，制备工艺相对简单。CdTe太阳电池应用前景非常广阔，尤其适用于高原及荒漠电站，外太空、深空间电源，以及用作聚光电池。国际上CdTe薄膜太阳电池的研究和制造十分活跃，美国国家可再生能源实验室（NREL）的小面积CdTe电池的最高效率记录为16.5％。该电池的技术特点是采用CdSnO₄／ZnSnO₄复合膜作为透明前电极。这种复合型明导电膜在退火后，CdSnO₄有很高的电导率，ZnSnO₄有恰当的电阻率，而在这两层之间可形成很薄的过渡层。另外一个典型的技术路线是采用Te／W₂Te₃作为背接触层，欧洲的多个研究小组采用该技术，如德国ANTEC公司、西班牙CIEMAT公司、瑞士ETH大学、比利时Gent大学、德国ISFH公司、意大利Parma大学、意大利SSE公司、英国Loughborough大学、瑞士Sol⁃aronix公司、德国DieterBonnet中心、德国达姆斯塔德技术大学、英国巴斯大学等，他们制备的小面积电池的最高转换效率在10％～13％之间。十多年来，众多研究机构对CdTe电池的污染问题进行了研究，认为在CdTe电池的生产过程中，镉污染容易控制，不会影响人体健康。即使遇到火灾，熔融的电池中释放的镉对环境的污染也很微小，而且在同样的发电量下，CdTe电池的重金属排放当量是最低的。因此，在重视环保的美国和德国等发达国家，CdTe太阳电池研究和产业化技术一直得到很好的发展。美国的FirstSolar公司是全球最大的CdTe太阳电池制造商，他们自主开发的蒸汽输运法，使CdTe薄膜电池生产线产能达到每年100MW。CdTe薄膜太阳电池原材料成本较低，规模化生产使得CdTe太阳电池的成本不断下降，从2005年的1.59美元／W降为1.19美元／W。截至2009年，FirstSolar公司的生产成本已经从2008年的93美分／W降至84美分／W。另外，该公司计划到2014年要将成本进一步降至0.52～0.63美元／W，与此同时要将转换效率升至12.5％，是目前所有太阳电池中生产成本最低的。FirstSolar公司除了在美国建有90MW的生产线、在德国建有120MW生产线，还在马来西亚和新加坡分别建有240MW和120MW的生产线。完成2010年的扩产计划后，其产能达到1.2GW，转换效率达10％。另一家已量产CdTe薄膜太阳电池的厂家为德国An-tecSolar，产能为4MWp。除了FirstSolar和AntecSolar外，美国的PrimestarSolar跟NREL和美国能源部（DOE）合作，也投入CdTe薄膜太阳电池的生产，其生产技术较为简洁，主要为磁控溅射或近空间升华技术，产品重复性和一致性很好，电池效率目前为7％～8％，并且可以较为容易地提高到10％以上。德国的ANTEC公司有8MW的自动化生产线，生产面积为1.2m×0.6m的CdTe电池组件，平均效率为6％～7％。

我国的CdTe薄膜电池产业化技术也取得了一定的进步，但研究工作起步较晚。2001年，四川大学太阳能组研制出了面积为0.52cm²的CdTe太阳电池，转换效率达11.6％。这项成果为我国CdTe太阳电池的发展做出了开创性的贡献，荣获中国高校技术发明二等奖。“十五”期间，小面积电池制造技术有了进一步提高，该组制备的电池效率达到13.38％，再次创造出我国CdTe太阳电池的转换效率记录，接近国际领先水平，并开发了中试生产线关键设备，建立了全部由我国生产的设备构成的0.3MW中试生产线，在该中试线上研制了面积为30cm×40cm的串联集成组件，转换效率达8.25％，已超出德国水平，使我国成为继美国、德国之后世界上第三个能生产CdTe太阳电池的国家，奠定了我国建立兆瓦级CdTe电池生产线的基础。(https://www.xing528.com)

但是，关键原料Te的天然贮藏量有限，会限制CdTe薄膜太阳电池的发展，因此CdTe薄膜太阳电池可以在一定规模下，在晶体硅电池价格居高不下、高纯硅材料产能不够的情况下起到一个缓冲作用，真正大规模地生产并占有较大的市场份额是值得怀疑的。当硅基薄膜太阳电池克服了技术瓶颈高速发展之后，CdTe电池将会停滞下来。