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全球碲化镉薄膜太阳能电池产业发展深度剖析

北极星太阳能光伏网  来源:工业和信息化部电子科学技术情报研究所    2013/11/5 13:46:43  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:晶体硅和薄膜太阳能电池是现在乃至未来十年的两大主要技术阵营,晶体硅太阳能电池以高转化效率在过去和现在都主导着全球光伏市场。2011年以来,全球光伏产业在经历高速发展后,带来的是产能严重过剩,多晶硅价格暴跌,大批晶硅太阳能电池企业破产、重组或裁员。在上述背景下,高效而廉价的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池因其本身所固有的良好材料性能和自身实践,而被越来越多的投资者所关注,有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。

一、碲化镉薄膜太阳能电池概况

一般而言,基于光吸收层材料体系的不同,薄膜太阳能电池主要分为硅基薄膜太阳能电池(如,非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜电池等)、化合物薄膜太阳电池(如,碲化镉、铜铟镓硒及砷化镓薄膜电池等)、有机和染料敏化太阳能电池三类。其中,碲化镉薄膜电池是一种以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础的太阳能电池[1]。碲化镉为Ⅱ-Ⅳ族化合物,是直接带隙半导体,光吸收强,其禁带宽度与地面太阳光谱有很好的匹配,最适合于光电能量转换,可吸收95%以上的太阳光,是一种良好的太阳能电池材料[2]。在各类薄膜光伏电池中,硅基薄膜光伏电池的转换效率最低,且存在光致衰减的固有缺陷,加之生产设备投资大,因此其成本短时间内难有明显下降;尽管铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的转换效率最高,但是其发展受困于生产成本较高、工艺未标准化、铟和镓的蕴藏量有限等问题;而碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池由于生产成本低、性能稳定,转换效率也比硅基薄膜电池高,其规模化量产具有很高的性价比。因此,碲化镉薄膜电池得到了较快发展。具体来看,碲化镉薄膜电池主要有以下几方面优点。

一是制造成本低。与其他太阳能电池相比,碲化镉薄膜电池具有较低的制造成本,这主要是由其电池结构、原材料及制造工艺等方面决定的。首先,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。与其他太阳能电池相比,碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单,一般而言,其电池由五层结构组成,即玻璃衬底、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极(见图1)。碲化镉薄膜电池的简单结构大大缩短了生产时间,使制造成本明显下降。据美国FirstSolar公司数据显示,碲化镉薄膜太阳能电池组件(从玻璃衬底的安装到电池组件出货)的全流程生产时间小于2.5小时。其次,碲化镉的吸收系数在可见光范围高达105/cm(高于硅材料100倍),太阳光中有99%的能量高于碲化镉禁带宽度的光子可在2mm(微米)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在几个微米左右,原材料消耗极少,因而碲化镉电池制造成本较低。最后,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。目前已有10种以上的技术可制备转换效率10%以上的碲化镉小面积电池,其中已有5种技术用于产业化生产。特别是近距离升华(CSS)和气相输运沉积(VTD)技术,具备沉积速率高(3-10mm/min)、膜质好、晶粒大、原材料利用率高(>85%)等优点,特别适合大规模生产。

图1碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图

资料来源:FirstSolar公司。

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