1、8材料研究与应用2 0 17Vol. 11,No. 1材料研究与应用MATERIALS RESEARCH AND APPLICATION文章编号：1673-9981(2017)01-0006-03磷化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展范文涛，朱刘广东先导稀材股份有限公司，先进材料研究院，广东清远511517摘要：璐化镉薄膜太阳能电池已成为全球光伏领域研究热点之一.本文阐述了瑙化镉薄膜太阳能电池的特性，介绍并探讨了国内外磧化镉薄膜太阳能电池领域的研究现状及产业化进展关键词：础化镉；太阳能电池；研究现状中图分类号：TK51文献标识码：A收稿日期:2016-10-11作者简介：范文涛(1987-),男
2、，江西丰城人，工程师，硕士.二十一世纪世界各国加速发展各种可再生能 源，希望可以解决日益严重的温室效应、能源枯竭和 环境污染等全球性危机.太阳能产业是未来能源的 一个主导产业，亦是国家和地方政府大力扶植的战 略新兴产业，市场潜力巨大.目前，太阳能电池市场 主要产品是硅系太阳能电池，占市场总额的80%以 上E，但晶硅电池的高成本和生产过程的高污染等 问题一直困扰着太阳能电池市场，随着薄膜太阳能 电池技术的不断发展，未来薄膜太阳能电池将成为 太阳能电池领域的主导技术，并被广泛应用.目前有 市场前景的薄膜太阳能电池主要有三种，分别是非 晶硅、磷化镉(CdTe)和铜锢傢硒(CIGS)薄膜太阳 能电池，
3、而磷化镉薄膜太阳能电池是其中的佼佼者， 与传统的单晶硅太阳能电池相比，其具有成本低，弱 光性更好等优势.除了光伏发电之外，未来薄膜电池 还可以应用于汽车、手机等设备上，其发展前景极为 可观.1磷化镉太阳能电池的特点CdTe薄膜太阳电池与其他化合物薄膜电池相 比具有以下特点:(DCdTe的禁带宽度(约1.45 eV)与太阳能光谱相匹配，高于硅材料100倍的吸 收系数等材料特性,适合制备高效薄膜太阳电池，其 理论转换转化率为28%；(2)CdTe相比硅材料具 有功率温度系数低和弱光效应好等特性，表明礒化 镉太阳能电池更适于沙漠、高温等复杂的地理环境， 以及在清晨、阴天等弱光环境下也能发电;(3)C
4、dTe 属于简单的二元化合物，易生成单相材料，已有多种 技术可制备10%以上的CdTe小面积电池，其中 CSS(近距离升华)和VTD(气相输运沉积)技 术具有沉积速率高、原材料利用率高、生产成本低， 以及所制备的膜质好、晶粒大等优点，应用最为广 泛，可实现规模化生产.磷化镉薄膜太阳能电池结构简单，其生产时间 与硅系太阳能相比大大缩短，只需几小时就可以完 成由玻璃到成品的出货.目前组件成本可做到0.5 美元/W左右，当组件效率上升，成本还有进一步下 降的空间.2确化镉薄膜太阳能电池的研究现状太阳能电池的发展已经走进了第三代，以礴化 镉为代表的化合物薄膜太阳能电池发展迅速.国际 上磷化镉薄膜太阳电
5、池的研究和制造十分活跃，在 1963年，Cusano研制出了以礦化镉为n型和以礴 化亚铜为0型结构的电池，其光电转化效率为7%, 这无疑是磷化镉薄膜电池的一个开端.在1982年， Tyan等人句用化学沉积方法在CdTe上蒸镀一层 CdS,首次制备出异质结构/-CdTe/W-CdS薄膜太阳 能电池，其转换效率超过10% ,这是现在CdTe薄膜 太阳能电池产业化的原型.在1993年，美国佛罗里 达大学科研人员采用近空间升华法制备出CdTe薄 膜太阳能电池，其转换效率为15.8%.在2004 年，我国学者吴选之制备出确化镉太阳能电池，其 转换效率达到了 16. 5%.慢慢地琦化镉薄膜材料逐 渐被认为
6、是一种高效、廉价的太阳能电池材料，也开 始由实验室研究阶段走向规模化工业生产.目前，美 国的First Solar公司凭借这方面的技术已经奠定了 全球薄膜光伏的龙头地位，该公司受益于研发费用 的投入，疏化镉太阳能电池的转换效率逐年增长，在 2016年初生产的礒化镉太阳能电池实验室转换效 率已经达到22. 1%,并还有进一步提升的空间.磷化镉光伏电池中由于存在镉元素，产品在使 用过程中人们一直担忧其是否对人体有害，对此学 者也进行了深入的研究.根据美国Brookhaven国家 实验室(BNL)报告3，CdTe薄膜组件中CdTe用量 很小，1 MW的CdTe组件仅需约250 kg的CdTe. Cd
7、Te被密封在两块玻璃之间，常温下没有Cd的释 放，即使在1100笆的高温下，99. 96%的CdTe都被 熔化的两块玻璃封住而没有泄露.比较其他几种太 阳电池及其它能源，磷化镉薄膜太阳能电池的镉排 放量仅为0. 3 g/GWh,而多晶硅的为0. 6 g/GWh、 单晶硅的为0.7 g/GWh、煤炭的为3.7 g/GWh、石 油的为44. 3 g/GWh,在CdTe太阳电池组件制备和 使用全寿命期内，总的镉释放量最低、最为安全.刘 向鑫等人口们结合中国实际国情，对礦化镉产业镉的 排放问题进行了研究，结果发现疏化镉光伏发电形 式的镉总排放率只有火力发电的1/13,表明CdTe 不同于元素镉，其是稳
8、定的化合物，能被安全使用， 磷化镉光伏产品是环保友好的.在重视环保的美国 和德国等发达国家，礴化镉太阳电池的研究和产业 化技术一直得到很好地发展.嘛化镉中的礒为稀有金属，疏化镉薄膜电池每 年耗歸约120 t,业内部分人士担心Te资源不足给 础化镉薄膜太阳能电池未来的发展造成障碍口口.目 前全世界础储量有4050 kt,世界碰产量约400 600 t/a12，人们担心礒的产量满足不了确化镉薄膜 太阳能电池发展的需要.当磷化镉薄膜层厚度约为 3 pan,组件转化率在10%的情况下，每1 GW的 CdTe组件将要消耗100 t碰，但随着技术的发展， 疏化镉薄膜厚度将更薄,组件转化率将进一步提高， 接
9、近其理论效率，每1 GW的CdTe组件消耗疏含 量将大幅降低；当大规模组件效率达到15%,厚度 减少到0. 2 时，每1 GW的消耗磷含量只需4.4 卢旳.磷资源的消耗的问题不应该静态的去看待，毋 庸置疑，随着科学技术的提升嘛的消耗量将大大降 低.同时，疏资源的回收利用将大大缓解资源不足的 情况.3爾化镉薄膜太阳能电池的产业化 进展目前，全球范围内具备能够量产磷化镉薄膜电 池组件技术的企业有美国的第一太阳能公司、德国 的Calyxo公司以及中国的龙後能源等.美国第一太 阳能公司First Solar是薄膜电池的龙头企业，成立 于1998年,2002年生产出第一块光伏电池产品后 就以惊人速度扩张
10、，短短几年其产量翻翻，并在 2006年底在美国纳斯达克上市，代号FSLR.从 First Solar公司2015年的年报中可以看出河：该公 司实验室制造的磷化镉组件效率首次超越多晶硅组 件转换效率，达到创纪愚的18.6%,其实验室电池 转换效率已经达到21.5%,并在2016年刷新了其 原有记录达到22.1%；其量产组件的转换效率也是 逐渐增长，从2006年的9. 5%到2011年的11. 9%, 再到2015年的15. 6% ；该公司2015年的光伏组件 产量达到了 2.5 GW,销售量达36亿美元，其歸化 镉薄膜光伏组件产量约占全球疏化镉薄膜光伏组件 总产量的95%以上.德国CalyxoG
11、mbH公司成立于 2005年，是一家生产嘛化镉薄膜太阳能电池组件制 造商和光伏发电系统供应商，在德国拥有25 MW 和60 MW两条磷化镉薄膜太阳能电池组件生产 线,2012年Calyxo公司础化镉薄膜太阳能电池组 件的生产成本约为0. 8美元/W,中期的目标是将生 产成本降低到0. 5美元/W,目前该公司嘛化镉薄膜 太阳能电池组件的转换效率达到13.4%,其实验室 电池转换效率已达16. 2% ,并得到德国SGS测试机 构的验证口釘.国内磷化镉薄膜太阳能研究及产业化起步较 晚，目前处于初期阶段.2001年四川大学太阳能组 研制出础化镉太阳电池，其转换效率达11.6%,并 建立了全部由中国生产
12、设备构成的0. 3 MW中试 生产线成.2012年龙姦能源建立了一条具有完全自 主知识产权、全国产化、全自动化的30 MW磷化镉 薄膜电池组件生产线，生产的组件平均效率达到了 11.4%,并具有良好的稳定性;2014年龙僉能源制 备的磷化镉组件产品转换效率达到13%,并得到中 国计量科学研究院检测认证，其组件产品系列已获 得美国、欧洲、澳大利亚等全球各地知名认证机构的 产品认证铮L2015年美国第一太阳能礦化镉光伏产品产量 产量达到2.5 GW,而国内磷化镉产品占光伏市场 的容量很少，因此确化镉薄膜太阳能电池的市场成 长空间很大，有着非常好的市场前景.4结语嘛化镉薄膜太阳能电池具有光电转换效率
13、高、 功率温度系数低、弱光效应好、易制备、生产成本低 等优势，已经在光伏市场上占有一席之地.目前，研 究人员和生产厂商研究的焦点仍是降低生产成本和 提高光电转换效率，产业化的升级将进一步提高磁 化镉薄膜太阳能电池的竞争力.国内的磷化镉薄膜 太阳能电池的产业化仍存在很大的发展空间和市场 前景.参考文献：口朱卫东，张阳.中国薄膜太阳电池技术发展现状与趋势 CJ1 中国基础科学,2013,15(2):7-10.2 KAZMERSKI L L. Solar photovoltaics R&D at the tipping point： A 2005 technology overviewJ. Jour
14、nal of Electron Spectroscopy & Related Phenomena, 2006,150 (2-3)：105-135.3 WU X,DHERE R G, ALBIN D S,et al. High-efficiency CTO/ZTO/CdS/CdTe polycrystalline thin-filna solar cellsC丄 Colorado： NCPV Program Review Meeting, 2001：47-48.4 BONNET A,NIEMEGEERS D. A model for the effects of the CdC12 treatm
15、ent on the performance of CdTe/ CdS solar cellsC丄 Barcelona：Spain 1997:2079-2082.5 CUSANO D A. CdTe solar cells and photovoltaic hetero junctions in II-VI compounds J. Solid-State Electronics, 1963,6(3)；217-218.6 TYAN Y S, PEREZALBUERNE E A. Efficient thin- film CdS/CdTe solar cellsC. New York： Elec
16、trical and Electronics Engineers, 1982 ： 794-800.7 FEREKIDES C,BRITT J,MA Y,et al. High efficiency CdTe solar cells by close spaced sublimation C . Piscataway： IEEE ,1993:389-393.8 WU Xuanzhi. High-efficiency polycrystalline CdTe thin- film solar cellsEJ. Solar Energy,2004,77(6) ：803-814.9 FTHENAKIS
17、 V M. Life cycle impact analysis ofcadmium in CdTe PV production t JRenewable &Sustainable Energy Reviews2004,8(4) ：303-334.口0刘向鑫，杨兴文.中国国情环境下CdTe光伏的全周期 镉排放分析口丄 科学通报,2013,58:1833-1844.11陈少纯，顾玲，高远，等.稀散金属产业的观察与思考 J.材料研究与应用，2009,3(4):216-222.E12王晓民，李刚.世界礦、镉及嘛化镉经济现状和前景 口丄 世界有色金属,2010(9):28-31.13 ZWEIBEL
18、K. Engineering the impact of tellurium supply on cadmium telluride photovoltaicsJ. Science, 2010,328:699-701.14 BAUER M,FRENCK J, FRITSCHE J,et al. Calyxos advanced CdTe module designed for hot climates EC. Piscataway: IEEE,2013 ： 1935-1937.15 吴选之.磷化镉薄膜太阳电池的产业化口丄太阳能， 2012(19):9-14.16 冯良桓，蔡伟，郑家贵，等.础化
19、锌复合背接触层对确化 镉太阳电池性能的影响J.太阳能学报，2001, 22(4)： 401-408.Research progress of cadmium telluride thin film solar cellsFAN Wentao,ZHU LiuResearch Development of Advanced Materials ,Vital Materials Co. ,Ltd. Qingyuan 511517 ,ChinaAbstract: Cadmium telluride thin film solar cells has become a hot spot in the global photovoltaic research field. This paper gives a brief of the characteristics of CdTe thin film solar cells, introduces the CdTe at home and abroad research status and industrial progress in the field of thin film solar cells.Key words: cadmium telluride, solar cells, research progress
