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近日，冬奥北京会刚刚闭幕。作为四年一度的冰雪盛宴，冬奥北京会吸引了全世界人的目光。冬奥北京会秉持环保奥运的理念，除了火炬采用氢能以外，奥运场地及奥运村用电全部来自于河北的光伏、风能发电。作为光伏BIPV应用的一大重要组成部分，碲化镉电池（CdTe）也在冬奥北京会上大显身手。国家速滑馆（“冰丝带”）就采用了碲化镉发电玻璃作为外墙，既美观又实用。碲化镉电池也利用冬奥会的机会再次走进人们视野中。 什么是碲化镉电池（CdTe）? 碲化镉在光伏BIPV的应用其实并不是一个新鲜的事物。2019年北京世园会中国馆已经采用了CdTe发电玻璃作为屋顶。一般CdTe电池由五层组成。第一层是玻璃层，玻璃层是最厚的一层，主要起到防止污染以及入射太阳光的作用，第二层是一层0.2~0.5微米的导电氧化层，主要起到导电的作用。第三次是CdS层，可以与第四层的CdTe层形成PN结，这个PN结是CdTe电池最重要的组成部分。第五层是背电极和背接触层。一般用铜或者其他金属代替。
当前现状：晶硅为主，薄膜为辅 在光伏电池的分类当中，目前最常用的分类方法是按照材料进行电池类型划分，主要分为晶硅与薄膜电池两大类。晶硅电池包括单晶硅及多晶硅两种，其中单晶硅依靠效率及成本的优势，目前占据晶硅电池的主导地位。薄膜电池是指在指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉积一层厚度不大于20微米的薄膜，并在这层薄膜中制作PN结等形成的太阳电池。薄膜太阳电池主要包括硅基薄膜、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）等。其中，碲化镉（CdTe）目前在薄膜电池中占据绝对主导。依据CPIA数据，2020全球薄膜电池的产能接近10GW，产量约为6.48GW，同比增长5.5%。从产品类型来看，2020年碲化镉薄膜电池的产量约为6.2GW，在薄膜太阳电池中占为95.7%。
CdTe电池占薄膜电池主流——性价比优势明显 （1）碲化镉薄膜电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件，相对结构大大缩短了生产时间，使制造成本明显下降。据美国FirstSolar数据显示，碲化镉薄膜太阳能电池组件全流程生产时间小于2.5小时。 （2）碲化镉的吸收系数在可见光范围高达105/cm，CdTe材料带隙宽度约1.5eV，与太阳光谱更匹配，其理论效率达32%，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。因此碲化镉薄膜太阳能电池理论上吸收层厚度很薄，原材料消耗极少。 （3）碲化镉属于简单的二元化合物系统，容易生产单相材料，制备方法容易实施，有效降低了制造成本，且相对铜铟镓硒的原料更容易获得也更便宜。 为什么目前CdTe电池在光伏应用上比不过晶硅电池? （1）最主要的原因：碲是地球上的稀有元素（量少），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。根据不同学者的观点，全球碲的储量在2.4万吨和14.9万吨之间。过去碲是以铜，铅，锌等矿山的伴生矿副产品形式（矿渣）存在。碲跟硅的储量根本无法相提并论。按储量14.9万吨来算，理论上CeTd电池最多只能造1000~2000GW，这没法从根本上代替煤电。 （2）价格是重要的，晶硅的造价比薄膜要低，薄膜的造价高一点，收回成本的期限也要再长一点。 （3）由于碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，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就是因为这个原因。废弃损坏的组件需要专门的回收处理，否则会造成环境污染。 （4）国内企业生产的碲化镉薄膜组件效率较好的能达到15%（明阳智能），在效率和功率方面都落后于晶硅组件。晶硅转化效率高，衰减慢，而薄膜的转化效率低，寿命低，衰减快。 （5）同规格下薄膜电池占地面积比晶硅电池更大。 （6）良率低。目前大部分单晶硅电池片厂商良品率可达98% 以上，薄膜电池组件的良品率目前只在 60% 左右。 为什么CdTe电池在BIPV上比晶硅电池表现好? （1）CdTe颜色比晶硅丰富，透光率可调且可满足定制化的需求：生产晶硅电池时，制绒环节中硅片表面腐蚀量的不同最终会导致电池片产生色差，常见的色差种类包括红片、花片和部分阴阳片。将晶硅电池封装加工成 BIPV 组件后，晶硅电池的色差会严重影响 BIPV 组件的美观性。即使通过分选将颜色相近的电池片封装在同一块组件中，电池片的颜色决定晶硅组件主要是深蓝、浅蓝等蓝色系色彩，比较单调，无法满足 BIPV 建筑对色彩的多样化需求。 （2）碲化镉薄膜太阳能电池生产技术及其生产工艺的优势，电池组件透光率可调，尺寸大小可定制、颜色图案可变，色彩整体性强。此外，晶硅电池的韧性相对不佳，很难对其进行弧面设计，大大限制了晶硅电池的应用场景，而且晶硅电池因为高度标准化的原因，尺寸调整也较为不便。 （3）弱光性强且温度系数低，适用性更好。（发电时间更长，能在更恶劣的环境下工作）CdTe在清晨、傍晚、积雪、积灰、雾霾等弱光条件发光效果明显优于间接带隙材料的晶硅电池。在较低辐照度下，碲化镉比晶硅早发电1个多小时，碲化镉在弱光下有更高的电压。此外碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.21%/℃，晶硅电池的温度系数在-0.45%/℃左右。因此其发电量比标称功率相同的晶硅电池多，也更适合于高温环境。当组件工作温度在75℃时，发电能力比晶硅电池高出15%。 （4）薄膜电池热斑效应小。当晶体硅光伏组件中某块太阳电池被遮挡时,电池电压将会被偏置成负载,消耗其他电池发的电。因此,这块电池的温度会比其他电池更高,从而产生热斑效应。长期的树叶，杆身，树木等阴影遮挡下，易导致热斑效应，局部温度过高，烧坏组件，极易产生火灾。而碲化镉等薄膜电池的垂直划线设计可将电力损失降到最低。因此在城市等复杂环境下，薄膜电池更加适用。 （5）相比晶硅电池而言，薄膜电池的重量较轻，使用薄膜类BIPV组件建造屋顶时施工难度和成本都会下降;屋顶跨度较大时，使用薄膜类BIPV组件的优势将更为明显。在建筑幕墙领域，使用薄膜类BIPV组件时，对钢支撑结构的要求和成本也会明显低于使用晶硅类BIPV组件。 |
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