本文根據(jù)劉向鑫博士在2018年8月20日舉行的“碲化鎘全球峰會(huì)暨第四屆碲化鎘材料與太陽(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際研討會(huì)”上的演講整理而成。
演講人：劉向鑫 中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員，博士，博導(dǎo)，“百人計(jì)劃”學(xué)者，薄膜太陽(yáng)電池研究組組長(zhǎng)
整理人：王凱強(qiáng) 能見(jiàn)研究員
這篇文章將解答三個(gè)問(wèn)題：
一是光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能到底有沒(méi)有過(guò)剩?
二是光伏能不能做的更便宜?能不能滿足我國(guó)電力的需求?
三是未來(lái)哪一種光伏技術(shù)有可能會(huì)勝出?
一到2035年我國(guó)光伏還有10倍的需求增量
國(guó)家能源局“全民光伏計(jì)劃”對(duì)十九大報(bào)告做了要點(diǎn)摘要：到2035年要基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化，而現(xiàn)代化和用電水平直接相關(guān)。生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)、美麗中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的現(xiàn)代化。推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，發(fā)展新能源將是愿景中的重要部分。
2016年我國(guó)全社會(huì)發(fā)電量約6萬(wàn)億度，如果全部使用光伏發(fā)電，相當(dāng)于需要安裝3.5-6.6TW光伏。為了形象的說(shuō)明，在我國(guó)地圖上標(biāo)出三個(gè)方塊，這三個(gè)方塊中任何一個(gè)地方鋪滿效率為15%的太陽(yáng)能電池板，都可以滿足我國(guó)2016年全社會(huì)用電量。以北京、天津、華北平原一帶為例，只要將效率為15%的太陽(yáng)能電池板鋪滿邊長(zhǎng)210公里的一個(gè)正方形區(qū)域就可以滿足全國(guó)2016年用電需求。雖然光伏能量可以供應(yīng)的總量巨大，但是短期內(nèi)不可能所有的用電都來(lái)自光伏，應(yīng)該盡量爭(zhēng)取能源結(jié)構(gòu)多元化，光伏和其他清潔能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占到比較顯著比重即可。
為什么社會(huì)現(xiàn)代化程度和光伏有關(guān)系?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》這本書(shū)給出了聯(lián)合國(guó)公布的國(guó)家人類(lèi)發(fā)展指數(shù)與國(guó)家人均用電量分布圖。縱軸是人類(lèi)發(fā)展指數(shù)，用比較好理解的意思是一個(gè)國(guó)家生活的幸福程度，橫軸是人均全社會(huì)用電量。
以美國(guó)俄亥俄州一家三層樓普通別墅為實(shí)例，朝南的屋頂3/5面積裝了二手碲化鎘太陽(yáng)能電池板，2006年安裝時(shí)效率只有9%;整棟房子裝了兩塊電表，分別記錄電網(wǎng)輸入電量和光伏發(fā)電賣(mài)出的電量，兩塊電表年總電量可以持平，即凈用電量是0。這意味著4.3KW光伏發(fā)電量可以滿足這家美國(guó)家庭整棟房子全年的用電量，包括空調(diào)、熱水以及生活所有方面，同時(shí)還包括每天40分鐘電動(dòng)車(chē)的通勤。4.3KW足夠一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)家庭自發(fā)自用，如果按7元/W的系統(tǒng)成本僅需要3萬(wàn)元，所以對(duì)于家庭而言安裝光伏發(fā)電的成本其實(shí)并不大。
現(xiàn)在我國(guó)人均全社會(huì)年用電量水平約4000-5000度，如果要基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，用電水平應(yīng)該達(dá)到9000度水平，從4000-5000度到9000度，增量是4000-5000度。通過(guò)測(cè)算，1W的光伏電池板一年在我國(guó)東部平均發(fā)電量是1度;如果到2035年增加一倍的全國(guó)用電量，光伏累計(jì)安裝量只需要占到其增量中的1/4到1/5，就可以增加每人每年1000度的光伏發(fā)電量，相當(dāng)于1300GW到1500GW的總增量，基本上符合我國(guó)能源局規(guī)劃的2035年人均1000W光伏的設(shè)定。
這說(shuō)明“全民光伏計(jì)劃”提出2035年每人1000W光伏裝機(jī)量不是奇思妙想，但是對(duì)于光伏行業(yè)來(lái)說(shuō)這將是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，依據(jù)這個(gè)規(guī)劃將從現(xiàn)在的總安裝量130GW還要再增加一個(gè)數(shù)量級(jí)(10倍)。
二為什么說(shuō)碲化鎘適合大規(guī)模應(yīng)用
如果要支撐我國(guó)如此大的用電發(fā)展需求，光伏必須要便宜。技術(shù)路線要做到三個(gè)基礎(chǔ)要求——成本足夠低、轉(zhuǎn)換效率足夠高、壽命足夠長(zhǎng)。
晶體硅技術(shù)已經(jīng)可以做得到這三點(diǎn)，所以成為了主流的技術(shù)。碲化鎘這三方面都不是問(wèn)題，并且具備了很多優(yōu)勢(shì)。
在產(chǎn)業(yè)化方面，傳統(tǒng)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件尺寸是1.2米×0.6米，從去年開(kāi)始FirstSolar發(fā)布第六代、功率達(dá)到420W的以上組件產(chǎn)品，尺寸達(dá)到1.2米×2.0米，全面積效率可以達(dá)到18%，與市面上第一梯隊(duì)晶硅組件相當(dāng)。
為什么要走大面積的路線?碲化鎘薄膜和晶硅組件不同，碲化鎘薄膜電池工藝類(lèi)似半導(dǎo)體薄膜光電器件工藝的流程，和液晶面板產(chǎn)業(yè)類(lèi)似。設(shè)備的折舊成本隨尺寸增加呈現(xiàn)下降的逼近曲線關(guān)系，現(xiàn)在以碲化鎘為代表的薄膜組件尺寸越來(lái)越大，目的就是為了降低設(shè)備攤銷(xiāo)的成本。
新一代碲化鎘組件尺寸比晶硅72片組件略大，應(yīng)用中可節(jié)省系統(tǒng)成本和安裝成本。已經(jīng)有不同廠家開(kāi)始籌劃制造更大尺寸的組件產(chǎn)品。類(lèi)似液晶面板產(chǎn)業(yè)以面積增加形成的代際提升趨勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始呈現(xiàn)。
在發(fā)電能力方面，同樣標(biāo)準(zhǔn)功率下在不同光照的地區(qū)，碲化鎘年發(fā)電量比晶硅更有優(yōu)勢(shì)。就中國(guó)大部分區(qū)域模擬計(jì)算結(jié)果而言，碲化鎘相對(duì)同樣標(biāo)稱(chēng)功率的晶硅系統(tǒng)應(yīng)該至少有3%到5%的發(fā)電量增益;在高溫高濕的熱帶氣候環(huán)境中，發(fā)電量增益甚至可以達(dá)到20%。從電站運(yùn)營(yíng)的角度這樣的增益是非常有吸引力的。
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三全球碲化鎘技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)在，全球最大的碲化鎘企業(yè)是美國(guó)First Solar公司，另外兩家是中國(guó)企業(yè)——中建材和杭州龍焱，還有其他廠家的項(xiàng)目正在推進(jìn)中。First Solar第四代組件效率約16.5%-17%，今年新的第六代大面積產(chǎn)品效率達(dá)到17.9%-18.8%，中建材是12%-13%之間，龍焱也是12%-13%之間。
中建材的生產(chǎn)線正在做生產(chǎn)調(diào)試，其尺寸介于五代到六代之間：1.6米×1.2米。龍焱以常規(guī)的尺寸為主，即1.2×0.6米，新的兩條產(chǎn)線仍然是四代的尺寸，有想法要做三倍的尺寸，但是新的兩條產(chǎn)線仍然是四代的尺寸。在生產(chǎn)成本上，F(xiàn)irst Solar目前保持著領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，已見(jiàn)報(bào)道的是1.3元/W，龍焱去年宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)成本低于2元/W。單線產(chǎn)能上，F(xiàn)irst Solar G3的產(chǎn)能單線80MW，現(xiàn)的在G6一條產(chǎn)線350MW，因?yàn)槊娣e大效率也更高;中建材的單線設(shè)計(jì)產(chǎn)能117MW，還沒(méi)有達(dá)成;龍焱新的產(chǎn)線是40MW，正在建。
碲化鎘光伏生產(chǎn)成本還可以做的更低，可以從產(chǎn)業(yè)和技術(shù)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：在產(chǎn)業(yè)上，F(xiàn)irst Solar已經(jīng)降低到這個(gè)水平，如果中國(guó)碲化鎘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)，可以充分發(fā)揮中國(guó)光伏全產(chǎn)業(yè)鏈的人才、設(shè)備、產(chǎn)業(yè)鏈配套等優(yōu)勢(shì)，有希望可以做的更低;技術(shù)上，碲化鎘技術(shù)無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室效率還是從產(chǎn)線的效率都有比較大提升的空間。
碲化鎘光伏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是碲化鎘結(jié)構(gòu)和成分非常單一，碲和鎘兩種單質(zhì)在一起，化合之后只有1:1的碲化鎘一種生成物。工藝窗口很寬，即在很寬的溫度、氣壓范圍內(nèi)都能夠得到高品質(zhì)碲化鎘材料，所以高效率碲化鎘電池有許多不同的制備方法。此外，碲化鎘飽和蒸氣壓相當(dāng)?shù)停苓m合真空生產(chǎn)過(guò)程。
當(dāng)前主流的生產(chǎn)技術(shù)路線：First Solar是氣相輸運(yùn)法(VTD)技術(shù)路線。中建材、龍焱用的是近空間升華(CSS)，玻璃基板加熱的溫度比原料溫度稍低， 碲化鎘原料從固態(tài)直接升華變成氣態(tài)，遇到玻璃板馬上凝結(jié)沉積。還有一種美國(guó)Reel Solar的電鍍方法，是在溫度低于水的沸點(diǎn)、約80攝氏度左右的含碲和鎘化合物的水溶液中陰極沉積碲和鎘，再用退火處理的方法得到高品質(zhì)碲化鎘的薄膜。
VTD的碲化鎘生產(chǎn)路線除了生產(chǎn)速度快，還不需要停機(jī)加料，對(duì)大型碲化鎘沉積設(shè)備加熱升溫和停機(jī)降溫時(shí)間都是以天來(lái)算的。VTD設(shè)備原理上可以比較好的避免生產(chǎn)中斷。以往VTD的核心專(zhuān)利由First Solar持有，但2018年1月VTD專(zhuān)利已經(jīng)過(guò)保護(hù)期，成為公開(kāi)知識(shí)。
四碲化鎘電池還可以怎么降成本
如果國(guó)內(nèi)掌握了大規(guī)模、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)，可以充分利用國(guó)內(nèi)健全的產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步降低薄膜光伏生產(chǎn)成本，技術(shù)方面碲化鎘仍然有很大的提升空間，雖然從2011年以來(lái)碲化鎘電池實(shí)驗(yàn)室效率紀(jì)錄已經(jīng)九次被打破了，但是仍然有比較大的提升空間。
電池當(dāng)前的世界紀(jì)錄和理論值間的差距，碲化鎘有八個(gè)百分點(diǎn)，還有比較大的提升空間。晶體硅只有四個(gè)百分點(diǎn)左右，銅銦鎵硒的提升空間也有八個(gè)百分點(diǎn)左右，但是生產(chǎn)可行性有待解決，需要在降低生產(chǎn)成本上做進(jìn)一步的研究投入。碲化鎘生產(chǎn)成本已經(jīng)比較低，效率也還有比較大的提升空間。2011年以來(lái)的效率提升都是在電流提高上做的工作，且已經(jīng)做到理論極限，接下來(lái)必須在提高電壓方面進(jìn)行研究工作。
碲化鎘的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)自2015年以來(lái)有很多突破，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)用分子束外延技術(shù)制備出碲化鎘單晶薄膜器件少子壽命達(dá)到3.6微秒，這個(gè)指標(biāo)比GaAs還高;開(kāi)路電壓高達(dá)1.12伏，比傳統(tǒng)的0.8~0.9V有明顯提高，已經(jīng)做到了理論開(kāi)壓的90%以上。這從原理上證明碲化鎘材料作為光伏半導(dǎo)體材料沒(méi)有本征缺陷，是一種優(yōu)秀的光伏材料。
接下來(lái)的任務(wù)是將單晶里面高開(kāi)壓碲化鎘的技術(shù)轉(zhuǎn)移到多晶薄膜中，科羅拉多州立大學(xué)在碲化鎘薄膜中，使用氧化鋁雙面鈍化技術(shù)，獲得了最高的載流壽命達(dá)到430納秒，2001年的世界紀(jì)錄碲化鎘電池的載流子壽命只有10納米，現(xiàn)在已經(jīng)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。多晶碲化鎘薄膜電池開(kāi)壓普遍超過(guò)900mV已經(jīng)是可以指日可待了，已有明確的進(jìn)一步提高電壓和效率的技術(shù)路徑。
碲化鎘電池的優(yōu)勢(shì)
一、碲化鎘電池成本相對(duì)晶硅電池更低，所需材料厚度只有晶硅的1%。
二、碲化鎘電池需要的純度大概是四個(gè)9到五個(gè)9，晶體硅需要六個(gè)9以上，純度越高材料成本越高，所以材料成本有一定的優(yōu)勢(shì)。
三、高溫高濕的環(huán)境下，碲化鎘電池相對(duì)同效率晶硅組件有更多的發(fā)電量，最多總發(fā)電量可超過(guò)晶硅20%，普遍可以多發(fā)3%到5%。
四、碲化鎘電池生產(chǎn)時(shí)間短，只需要2-3小時(shí)，度電成本上已經(jīng)做到人民幣5毛錢(qián)以下。
五、效率提升的速度最近幾年比較快，未來(lái)提升的空間比晶硅電池大。
當(dāng)然，這不是說(shuō)碲化鎘要替代晶體硅，但是如果市場(chǎng)規(guī)模增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以給市場(chǎng)帶來(lái)另一個(gè)可靠的選擇。
