近日，冬奧北京會剛剛閉幕。作為四年一度的冰雪盛宴，冬奧北京會吸引了全世界人的目光。冬奧北京會秉持環(huán)保奧運的理念，除了火炬采用氫能以外，奧運場地及奧運村用電全部來自于河北的光伏、風(fēng)能發(fā)電。作為光伏BIPV應(yīng)用的一大重要組成部分，碲化鎘電池（CdTe）也在冬奧北京會上大顯身手。國家速滑館（“冰絲帶”）就采用了碲化鎘發(fā)電玻璃作為外墻，既美觀又實用。碲化鎘電池也利用冬奧會的機會再次走進人們視野中。
什么是碲化鎘電池（CdTe）?
碲化鎘在光伏BIPV的應(yīng)用其實并不是一個新鮮的事物。2019年北京世園會中國館已經(jīng)采用了CdTe發(fā)電玻璃作為屋頂。一般CdTe電池由五層組成。第一層是玻璃層，玻璃層是最厚的一層，主要起到防止污染以及入射太陽光的作用，第二層是一層0.2~0.5微米的導(dǎo)電氧化層，主要起到導(dǎo)電的作用。第三次是CdS層，可以與第四層的CdTe層形成PN結(jié)，這個PN結(jié)是CdTe電池最重要的組成部分。第五層是背電極和背接觸層。一般用銅或者其他金屬代替。
當(dāng)前現(xiàn)狀：晶硅為主，薄膜為輔
在光伏電池的分類當(dāng)中，目前最常用的分類方法是按照材料進行電池類型劃分，主要分為晶硅與薄膜電池兩大類。晶硅電池包括單晶硅及多晶硅兩種，其中單晶硅依靠效率及成本的優(yōu)勢，目前占據(jù)晶硅電池的主導(dǎo)地位。薄膜電池是指在指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉積一層厚度不大于20微米的薄膜，并在這層薄膜中制作PN結(jié)等形成的太陽電池。薄膜太陽電池主要包括硅基薄膜、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）等。其中，碲化鎘（CdTe）目前在薄膜電池中占據(jù)絕對主導(dǎo)。依據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2020全球薄膜電池的產(chǎn)能接近10GW，產(chǎn)量約為6.48GW，同比增長5.5%。從產(chǎn)品類型來看，2020年碲化鎘薄膜電池的產(chǎn)量約為6.2GW，在薄膜太陽電池中占為95.7%。
CdTe電池占薄膜電池主流——性價比優(yōu)勢明顯
（1）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，相對結(jié)構(gòu)大大縮短了生產(chǎn)時間，使制造成本明顯下降。據(jù)美國FirstSolar數(shù)據(jù)顯示，碲化鎘薄膜太陽能電池組件全流程生產(chǎn)時間小于2.5小時。
（2）碲化鎘的吸收系數(shù)在可見光范圍高達105/cm，CdTe材料帶隙寬度約1.5eV，與太陽光譜更匹配，其理論效率達32%，95%的光子可在1μm厚的吸收層內(nèi)被吸收。因此碲化鎘薄膜太陽能電池理論上吸收層厚度很薄，原材料消耗極少。
（3）碲化鎘屬于簡單的二元化合物系統(tǒng)，容易生產(chǎn)單相材料，制備方法容易實施，有效降低了制造成本，且相對銅銦鎵硒的原料更容易獲得也更便宜。
為什么目前CdTe電池在光伏應(yīng)用上比不過晶硅電池?
（1）最主要的原因：碲是地球上的稀有元素（量少），發(fā)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(yè)化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。根據(jù)不同學(xué)者的觀點，全球碲的儲量在2.4萬噸和14.9萬噸之間。過去碲是以銅，鉛，鋅等礦山的伴生礦副產(chǎn)品形式（礦渣）存在。碲跟硅的儲量根本無法相提并論。按儲量14.9萬噸來算，理論上CeTd電池最多只能造1000~2000GW，這沒法從根本上代替煤電。
（2）價格是重要的，晶硅的造價比薄膜要低，薄膜的造價高一點，收回成本的期限也要再長一點。
（3）由于碲化鎘薄膜太陽能電池含有重金屬元素鎘，使很多人擔(dān)心碲化鎘太陽能電池的生產(chǎn)和使用對環(huán)境的影響。多年來，一些公司和專家不愿步入碲化鎘太陽能電池的開發(fā)和生產(chǎn)就是因為這個原因。廢棄損壞的組件需要專門的回收處理，否則會造成環(huán)境污染。
（4）國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的碲化鎘薄膜組件效率較好的能達到15%（明陽智能），在效率和功率方面都落后于晶硅組件。晶硅轉(zhuǎn)化效率高，衰減慢，而薄膜的轉(zhuǎn)化效率低，壽命低，衰減快。
（5）同規(guī)格下薄膜電池占地面積比晶硅電池更大。
（6）良率低。目前大部分單晶硅電池片廠商良品率可達98% 以上，薄膜電池組件的良品率目前只在 60% 左右。
為什么CdTe電池在BIPV上比晶硅電池表現(xiàn)好?
（1）CdTe顏色比晶硅豐富，透光率可調(diào)且可滿足定制化的需求：生產(chǎn)晶硅電池時，制絨環(huán)節(jié)中硅片表面腐蝕量的不同最終會導(dǎo)致電池片產(chǎn)生色差，常見的色差種類包括紅片、花片和部分陰陽片。將晶硅電池封裝加工成 BIPV 組件后，晶硅電池的色差會嚴重影響 BIPV 組件的美觀性。即使通過分選將顏色相近的電池片封裝在同一塊組件中，電池片的顏色決定晶硅組件主要是深藍、淺藍等藍色系色彩，比較單調(diào)，無法滿足 BIPV 建筑對色彩的多樣化需求。
（2）碲化鎘薄膜太陽能電池生產(chǎn)技術(shù)及其生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢，電池組件透光率可調(diào)，尺寸大小可定制、顏色圖案可變，色彩整體性強。此外，晶硅電池的韌性相對不佳，很難對其進行弧面設(shè)計，大大限制了晶硅電池的應(yīng)用場景，而且晶硅電池因為高度標準化的原因，尺寸調(diào)整也較為不便。
（3）弱光性強且溫度系數(shù)低，適用性更好。（發(fā)電時間更長，能在更惡劣的環(huán)境下工作）CdTe在清晨、傍晚、積雪、積灰、霧霾等弱光條件發(fā)光效果明顯優(yōu)于間接帶隙材料的晶硅電池。在較低輻照度下，碲化鎘比晶硅早發(fā)電1個多小時，碲化鎘在弱光下有更高的電壓。此外碲化鎘薄膜太陽能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.21%/℃，晶硅電池的溫度系數(shù)在-0.45%/℃左右。因此其發(fā)電量比標稱功率相同的晶硅電池多，也更適合于高溫環(huán)境。當(dāng)組件工作溫度在75℃時，發(fā)電能力比晶硅電池高出15%。
（4）薄膜電池?zé)岚咝?yīng)小。當(dāng)晶體硅光伏組件中某塊太陽電池被遮擋時,電池電壓將會被偏置成負載,消耗其他電池發(fā)的電。因此,這塊電池的溫度會比其他電池更高,從而產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。長期的樹葉，桿身，樹木等陰影遮擋下，易導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，局部溫度過高，燒壞組件，極易產(chǎn)生火災(zāi)。而碲化鎘等薄膜電池的垂直劃線設(shè)計可將電力損失降到最低。因此在城市等復(fù)雜環(huán)境下，薄膜電池更加適用。
（5）相比晶硅電池而言，薄膜電池的重量較輕，使用薄膜類BIPV組件建造屋頂時施工難度和成本都會下降;屋頂跨度較大時，使用薄膜類BIPV組件的優(yōu)勢將更為明顯。在建筑幕墻領(lǐng)域，使用薄膜類BIPV組件時，對鋼支撐結(jié)構(gòu)的要求和成本也會明顯低于使用晶硅類BIPV組件。
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