所谓“发电玻璃”原来如此

有一则国内新闻引起我的兴趣，题目是《世界上第一条大面积碲化镉“发电玻璃”生产线投入试生产》，该新闻报道如下：

11月初，潘锦功掌舵的成都中建材光电材料有限公司碲化镉”发电玻璃”生产线投入试生产。据悉，仅仅55秒，生产线即可送出一块世界最大单体面积的碲化镉”发电玻璃”。不同于业界主流的晶硅太阳能电池技术，潘锦功的碲化镉“发电玻璃”生产线完全具有自主知识产权，整个生产线长550米，其中的核心工艺是气化镀膜：玻璃进入真空腔体后，处于高温环境的高速运动状态，让4微米厚的碲化镉晶体连续在玻璃上“生长”。潘锦功的碲化镉“发电玻璃”单片面积为1.92平方米，且光电转化率达到17.8%，年可发电260-270度，在弱光环境下表现也不逊色。

据测算，“发电玻璃”的设计寿命30年，通过发电，前6年可收回成本，这为光伏发电并网的推进甚至为精准扶贫打开了想象空间。目前公司已斩获的订单，足够年产100兆瓦的生产线忙一年……此项技术的突破，打破了国外巨头的垄断。美国制造的是小尺寸“发电玻璃”，规格为1.2米×0.6米。潘锦功的碲化镉“发电玻璃”单片规格为1.2米×1.6米，相当于美国制造的3块拼接小面玻璃，大大提高了大玻璃的生产效率。中国工程院院士顾真安评价，这为中国从建材玻璃大国提升为电子玻璃强国、半导体材料强国打下了技术和材料基础。

先不讲那些过时的政治词儿：又是“突破”，又是“打破垄断”，世界从来是开放的，没有谁垄断谁，除非自己不行。在这里，我只想说一点技术问题，没听说过世界上曾有过“发电玻璃”，何时玻璃也能够发电？所谓“发电玻璃”乃是外行说法，正确名称应该是“碲化镉薄膜太阳能电池”，简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池。玻璃只是一个透光的衬底材料，不是技术性关键材料。这种太阳能电池组件分7层结构所组成:

1、玻璃衬底：主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光的作用。其超白钢化处理的钢化玻璃，透光率必须高于91%以上，另一作用为保护发电主体（如电池片）。用EVA来粘结固定钢化玻璃和电池片和背板。

2、TCO导电氧化层，即TCO透明导电薄膜玻璃，主要起的是透光和导电的作用。

3、CdS窗口层：n型半导体，与p型CdTe组成p-n结。

4、CdTe吸收层：它是电池的主体吸光层，与n型的CdS窗口层形成的p-n结是整个电池最核心的部分。

5、背接触层和背电极：为了降低CdTe和金属电极的接触势垒，引出电流，使金属电极与CdTe形成欧姆接触。背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化）。

6、接线盒：保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接，线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。

7、铝合金保护层压件：起一定的密封、支撑作用。之外，还有硅胶密封，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处。

这种带有碲化镉薄膜的“发电玻璃”，是指在普通玻璃上镀上一层碲化镉光电材料，让普通玻璃从绝缘体变成可导电的导体，进而变成可发电的建筑材料，实现了玻璃与材料的有机结合。该产品即便在弱光条件下也可通过光电转化产生电能，是一种绿色可回收可发电的多功能建筑材料，可替代砖头、幕墙等建材。

第一个碲化镉薄膜太阳能电池是由美国无线电公司（RCA）实验室在CdTe单晶上镀上In的合金制得的，其光电转换效率仅为2.1%。1982年，Kodak实验室（即美国伊士曼·柯达公司）用化学沉积法在P型的CdTe上制备一层超薄的CdS，制备了效率超过10%的异质结p-CdTe/n-CdS薄膜太阳能电池。这是现阶段碲化镉薄膜太阳能电池的原型。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1平方厘米的面积上做出转换效率为15.8%的太阳能电池。如今，西门子开发的面积为3600cm2的碲化镉薄膜太阳能电池转换效率达到11.1%的水平；美国国家可再生能源实验室公布了Solar Cells公司的面积为6879cm2的碲化镉薄膜太阳能电池的测试结果，其转换效率达到7.7%；Bp Solar的碲化镉薄膜太阳能电池面积为4540cm2，转换效率为8.4%，面积为706cm2，转换效率达到10.1%；Goldan Photon的碲化镉薄膜太阳能电池，面积为3528cm2，转换效率为7.7%。随后，日本Matsushita Battery研究的CdTe小面积电池在实验室里的最高转换效率为16%，成为当时碲化镉薄膜太阳能电池的最高纪录。

什么叫碲化镉材料？

碲化镉（CdTe)是一种由镉与碲合成的结晶物质，碲化镉也可与汞形成HgCdTe合金，可应用在红外线侦测器的感光材料。碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。过去碲是以铜，铅，锌等矿山的伴生矿副产品形式，即在工业上，碲主要是从电解铜或冶炼锌的废料中回收得到，也就是矿渣，以及冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。据相关报道，目前地球上已知的碲有碲14.9万吨，其中中国有2.2万吨，美国有2.5万吨。虽然130~140公斤碲即可以满足1MW碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要，但是跟硅的储量根本无法相提并论。

可以由多种方法制备碲化镉薄膜，如化学水浴沉积(CBD)、近空间升华法、丝网印刷、溅射、蒸发等。一般的工业化和实验室都采用CBD的方法，这是因为CBD法的成本低和生成的CdS能够与TCO形成良好的致密接触。

由于碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，是有毒性物质，使很多人担心碲化镉太阳能电池的生产和使用对环境的影响，多年来，一些公司和专家不愿步入碲化镉太阳能电池的开发和生产，应用范围未能普及，就是这个原因。

那么为什么现在要采用碲化镉薄膜？

为此，美国布鲁克文国家实验室的科学家们专门研究了这个问题。碲化镉太阳能电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位发电量的重金属排放量相比，研究结果表明，石油的镉排放量是最高的，达到44.3g/GWh，煤炭次之，为3.7g/GWh。而太阳能电池的排放量均小于1g/GWh，其中又以碲化镉的镉排放量最低，为0.3 g/GWh。与天然气相同，硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉太阳能电池的两倍。碲化镉太阳能电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。美国的研究人员还针对碲化镉薄膜太阳能电池组件使用过程中，遇到火灾等意外事故造成组件损毁时镉的污染进行了研究。他们将双玻璃封装的碲化镉薄膜太阳能电池组件在模拟建筑物发生火灾的情况下进行试验，实验温度高达1100℃。结果表明，高温下玻璃变软以至于熔化，化合物半导体薄膜被包封在软化了的玻璃中，镉流失量不到电池所含镉总量的0.04%。考虑到发生火灾的几率，得出使用过程中，镉的排放量不到0.06mg/GWh。实验表明碲化镉薄膜太阳能电池组件的使用是安全的，

还因为碲化镉CdTe的禁带宽度一般为1.47eV，CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配。CdTe的吸收系数在可见光范围高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。此薄膜光电转换效率约为28%。制造成本低，容易实现规模化生产。设计使用时间为20年。尽管碲化镉技术的转换效率低于晶硅太阳能电池，碲化镉技术拥有比其他薄膜太阳能技术更佳的成本结构，是太阳能电池中最容易制造的，生产成本正在逐步接近、甚至低于传统发电系统，是应用前景很好的太阳能电池，因而它向商品化进展最快。

提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化，适当减薄窗口层CdS 的厚度，可减少入射光的损失，从而增加电池短波响应以提高短路电流密度，较高转换效率的碲化镉薄膜太阳能电池就采用了较薄的CdS 窗口层。要降低成本，就必须将CdTe 的沉积温度降到550 ℃以下，以适于使用廉价的玻璃作衬底；实验室成果想要走向产业，必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程。

在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的CdTe电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。1998年美国的碲化镉薄膜太阳能电池产量只有0.2MW，而在2010年，美国第一光伏的年CoTe生产量达到了2.2GW，商业模块平均效率为11.7%，而生产成本却低至0.75美元/瓦，并且宣布在今后的几年内会更低。

为什么太阳能利用要用电池方式发电？

迄今为止，人类掌握了三种发电方式：1、火力发电和核能发电基本一样，是热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电；2、水力发电与风力发电机的基本原理是一样，水力发电利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力；风力发电机是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电；3、以太阳能电池发电为主导的发电方式。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（PV），简称光伏。

理论上说，虽然太阳能发电也有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电发电贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光－伏”才出现在英语中。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts（美国科学家查尔斯·弗里茨）制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了20世纪30年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。

到了20世纪50年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。自20世纪58年代起，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。20世纪70年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。

太阳能电池的工作原理如何？

太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

简单的说，太阳能光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。

太阳能电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的，太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。根据所用材料的不同可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物薄膜为材料的电池；3、聚合物多层修饰电极型和功能高分子材料制备的太阳能电池；4、有机太阳能电池、塑料太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。

发电主体——薄膜太阳能电池片，主要作用就是发电，按照制作材料又可分为硅基半导体电池、碲化镉薄膜电池、CIGS薄膜电池（主要组成有铜、铟、镓、硒）、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，碲化镉薄膜电池效率达16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%。过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。

资料显示，全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中，其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发，积极生产各种相关的节能新产品。日本正在实施太阳能“7万套工程计划”，准备普及的太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了10万套工程计划'。“NREL光伏计划”是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW，日本也建成了发电功率达1MW的光伏（兆瓦，1MW=1000KW）发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。同时，发达国家对光伏应用提出各种政策扶持。德国政府补贴企业70%光伏发电成本，允许太阳能光电入网；新加坡对进入国内的光伏企业免10年税收，企业研发资金的50%由政府提供。

我国CdTe薄膜电池的研究工作开始于上世纪80年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术（ED）研究和制备碲化镉薄膜太阳能电池，后者研制的电池转换效率达到了5.8%。80年代中期至90年代中期，研究工作处于停顿状态。90年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所，在冯良桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳能电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”，教授采用近空间升华技术研究碲化镉薄膜太阳能电池，并取得很好的成绩。今年四川阿波罗太阳能科技开发股份有限公司新型薄膜CdTe/CdS太阳能电池核心材料产业化（为期两年，将建设拥有年产碲化镉50吨的生产线、硫化镉10吨生产线），使我国在CdTe电池产业化将得到长足发展。

中国太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助，对研究开发工作高度重视，2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。现在中国已成为全球光伏产品最大制造国之一，中国即将出台的《新能源振兴规划》，中国光伏发电的装机容量规划为2020年达到20GW（千兆瓦，1Gw=1000Mw=100000kw，不过现在全球都没有一个光伏电站有这么大的，最多也不过100MW而已），是原来《可再生能源中长期规划》中1.8GW的10多倍。

然而，我们不掌握光伏电池核心技术和精密设备的技术。中国光伏电池生产规模虽已居世界第三，仅次于日本和德国，但只是低端的民用产品，并不挣钱，高端的宇宙航天太阳能电池根本没法做。据了解，多晶硅核心技术——三氯氢硅还原法被垄断在美国、德国、日本等国家少数企业手中，中国企业很难获得关键技术。由于不掌握核心技术，国内光伏产业大部分利润被成本抵消。在业内人士看来，我国的太阳能电池行业和中国其他行业所经历的路程是一样的，也在充当着代工厂的角色，一方面国内太阳能企业高价进口多晶硅等原材料，另一方面生产出的太阳能电池大部分平价销往国外，且在国际市场上没有竞争力，这就使得国内太阳能电池的生产利润越来越薄，耗费国内能源和人力只能换取到微薄的“代工费”。此外，我国还只是太阳能“应用小国”，国内市场基本没有启动。2006年底光伏累计安装量只有80MW，占世界市场的1%；2007年安装量约20MW，累计安装量只有100MW，占世界市场0.8%，这也加剧了我国光伏产业对外部市场的依赖。

单晶硅光伏电池生产技术虽然很成熟，然而还在不断发展，其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电1元以上。今后，要使光伏电池大规模应用，必须不断改进光伏电池效率和生产成本，在这个过程中，生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短，仅3－5年。光伏电池生产企业投资大，回收周期长，由于技术更新快，国内企业，如果不及时更新技术，就会很快被淘汰，很可能不能收回投资。太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。

生产多晶硅是一个提纯过程，在这个过程中，如果回收工艺不成熟，生产过程中产生的三氯氢硅、四氯化硅、氯化氢、氯气等有害物质极有可能外溢，存在重大的安全和污染隐患。其中，对四氯化硅的无害化处理成为制约多晶硅发展的最大瓶颈之一。国家确定的光伏产业规划远远落后于产业迅猛发展形势，相关扶持、激励政策也为凤毛麟角，国内光伏产业发展仍处于“民间推动政府”状态。同时，光伏产业技术门槛很高，需要大量专业人才充实到生产和研发环节，目前我国还没有一所专门培养光伏人才的高校，很多人是从半导体专业转型的，大量企业面临“用工荒”。国内太阳能光伏研发机构寥寥无几，国家研发投入经费少得可怜。国内大企业自主创新能力差，小企业以赚“快钱”为目的，更不愿投入资金进行研发。尤其是国家相关产业政策滞后于产业竞争。一是《可再生能源法》有总则缺细则，该法生效2年来，光伏发电鼓励措施落实甚少，电力部门也没有完全接受光伏发电上网，国内几个光伏并网发电项目还只是示范。

2018.1.16