本文根【gēn】据刘向鑫博士在9-21举行的【de】“碲化镉全球【qiú】峰会【huì】暨【jì】第四届【jiè】碲化镉材料与太阳能电池技术国际研讨会”上的演讲整理而成。
演讲人：刘向鑫 中【zhōng】国科学院电工研究所研究员，博士【shì】，博导，“百【bǎi】人计划”学者【zhě】，薄膜【mó】太阳电池【chí】研究组组【zǔ】长
整理人：王凯强 能见研究员
这篇文章将解答三个问题：
一是光伏产业产能到底有没有过剩?
二是光伏能不能做的更便宜?能不能满足我国电力的需求?
三是未来哪一种光伏技术有可能会胜出?
一到2035年我国光伏还有10倍的需求增量
国家能源局“全民光伏计划”对十九大报【bào】告【gào】做了要点摘要：到2035年要基本实现【xiàn】社【shè】会【huì】主义现【xiàn】代化，而现代【dài】化和用电水平直接相关【guān】。生态环境根本【běn】好【hǎo】转、美丽【lì】中【zhōng】国基【jī】本实现，要实现环境【jìng】友好的现代化。推【tuī】进能源生产【chǎn】和消费革命【mìng】，构建清洁低碳安全高【gāo】效的能源体系，发【fā】展【zhǎn】新能源将是愿景中【zhōng】的重【chóng】要部分。
2016年我国全社会发电量约6万亿度，如果全部使用光伏发电，相当于需【xū】要安装3.9-21.6TW光伏。为了形象的说【shuō】明，在我【wǒ】国【guó】地图上标出三个【gè】方块，这【zhè】三【sān】个方【fāng】块中任【rèn】何一个地方铺满效率为15%的太【tài】阳【yáng】能电池板【bǎn】，都可以满足我国2016年全【quán】社【shè】会用电量。以北京、天津【jīn】、华北平原一带为【wéi】例，只要将效率【lǜ】为15%的太阳能【néng】电池【chí】板铺满【mǎn】边长210公【gōng】里的一个正方形区域就可以满足全国2016年用电【diàn】需求。虽然光伏能量可以【yǐ】供应【yīng】的【de】总量巨【jù】大，但是【shì】短期内不可能所有的用电都来自光伏，应该尽【jìn】量【liàng】争取能源结构多元化，光伏和其【qí】他清洁能源在我国能源结【jié】构中占到比【bǐ】较【jiào】显【xiǎn】著比重即【jí】可。
为什【shí】么社会现【xiàn】代化程度和光伏有关系?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》这本书给【gěi】出了联合【hé】国公布的国【guó】家【jiā】人类发展【zhǎn】指【zhǐ】数与国家【jiā】人均用电量分布图【tú】。纵轴是人类发展指数【shù】，用比较【jiào】好理解的意思是一个国家生活的【de】幸福程度，横轴是人均全社会用电量。
以美国俄亥【hài】俄州一家三层楼普通别墅【shù】为实例，朝南的【de】屋顶3/5面积装了二【èr】手【shǒu】碲化镉【gé】太阳能电池板，2006年安装时效率只有9%;整栋房子装了两块【kuài】电表，分别记录【lù】电网输入【rù】电量和光伏发电【diàn】卖出的电量，两块电表年总电量【liàng】可以【yǐ】持【chí】平，即净用【yòng】电量是【shì】0。这意味【wèi】着【zhe】4.3KW光伏发电【diàn】量可【kě】以满足这家美【měi】国家庭整栋房子全年【nián】的【de】用电【diàn】量【liàng】，包【bāo】括【kuò】空调、热水以【yǐ】及生活所有【yǒu】方面，同时还包括每天40分钟电动【dòng】车的通勤【qín】。4.3KW足够一个标准美国家庭【tíng】自发【fā】自用【yòng】，如果【guǒ】按7元/W的系统【tǒng】成本仅需要3万元【yuán】，所以对【duì】于家庭而言安装光伏发电的成本其【qí】实并不大。
现在我国人均全社会年用电量水平约4000-5000度，如【rú】果要【yào】基本实现现【xiàn】代化，用电水平【píng】应该达到9000度水【shuǐ】平【píng】，从4000-5000度到【dào】9000度，增量是【shì】4000-5000度。通过【guò】测【cè】算，1W的光伏电池板一年在我国东部平【píng】均发电量是1度;如果【guǒ】到2035年增加一倍的全国用【yòng】电量【liàng】，光伏【fú】累计安【ān】装量【liàng】只需要占到其增量中的1/4到1/5，就可以增加每人【rén】每年1000度的光伏发电量，相当于【yú】1300GW到1500GW的总增量【liàng】，基本【běn】上符合我国能【néng】源局【jú】规划的2035年人【rén】均1000W光伏的【de】设定。
这说【shuō】明“全民光伏【fú】计【jì】划”提【tí】出【chū】2035年每人1000W光伏装机【jī】量不是奇思【sī】妙想，但是对于光伏行【háng】业来说这将是一个巨大的市场，依据【jù】这个规划将从现在的总安装量130GW还要【yào】再【zài】增加一个【gè】数量【liàng】级(10倍)。
二为什么说碲化镉适合大规模应用
如【rú】果要【yào】支【zhī】撑我【wǒ】国如此大的用电发展需求，光伏必须要便宜【yí】。技术路线要做到【dào】三个基础要【yào】求——成本足够低【dī】、转【zhuǎn】换【huàn】效率足够高【gāo】、寿命足够长。
晶体【tǐ】硅技【jì】术已经【jīng】可以做得【dé】到这三【sān】点【diǎn】，所以成为了主流【liú】的技术【shù】。碲化镉【gé】这三方面都不是问题，并且具备了很多优势。
在产业化方面，传统【tǒng】碲化镉薄【báo】膜【mó】太【tài】阳能电池【chí】组件尺寸【cùn】是1.2米×0.6米【mǐ】，从去【qù】年开始FirstSolar发布第六代、功率【lǜ】达到420W的以上组件产品，尺【chǐ】寸达到1.2米×2.0米，全面积效率可以达到18%，与市面【miàn】上第【dì】一梯【tī】队晶硅组件相【xiàng】当。
为什么要走大面积的路线?碲化镉【gé】薄膜和晶硅组件不同，碲化【huà】镉薄膜电池工艺类似半【bàn】导体薄膜光电器件工艺的【de】流【liú】程【chéng】，和液晶面板产业类【lèi】似。设备【bèi】的折旧成本随【suí】尺寸增【zēng】加呈【chéng】现下【xià】降的逼【bī】近曲线关【guān】系，现在以碲化【huà】镉【gé】为代表的【de】薄膜组件尺寸越来越【yuè】大，目的就是为了降低设备【bèi】摊销的成【chéng】本。
新一代【dài】碲化镉组件尺寸比【bǐ】晶【jīng】硅72片组件略大，应用中可节省系【xì】统成本和安装成本。已经有不同厂家开始【shǐ】筹划制造更【gèng】大尺寸的组件产品。类【lèi】似【sì】液晶面板【bǎn】产【chǎn】业以面积【jī】增【zēng】加形成的代际提升趋【qū】势已经开始【shǐ】呈现。
在发【fā】电能【néng】力方面，同样标准功率下在不【bú】同光照的【de】地区，碲化镉年发电量【liàng】比晶硅【guī】更有优【yōu】势。就【jiù】中国大部分区域模拟【nǐ】计算结果而言，碲化镉相对【duì】同样【yàng】标【biāo】称功率的晶硅系统应该至少有3%到5%的【de】发【fā】电量增益;在高【gāo】温高湿的【de】热带气候【hòu】环境中【zhōng】，发电【diàn】量增【zēng】益甚至【zhì】可以达到20%。从电站运营的角【jiǎo】度这样的【de】增益是【shì】非常有吸引【yǐn】力的。
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三全球碲化镉技术发展现状
现在，全球最大的碲【dì】化镉企业是美国First Solar公司，另外两家是中国【guó】企业——中【zhōng】建【jiàn】材【cái】和杭州龙焱，还【hái】有其他厂家的项目正在推进【jìn】中。First Solar第四代组件【jiàn】效率【lǜ】约【yuē】16.5%-17%，今年新的【de】第六代大面【miàn】积产品效率达到17.9%-18.8%，中建材是12%-13%之间，龙焱也是【shì】12%-13%之间【jiān】。
中建材的生产【chǎn】线正在做【zuò】生产调试，其【qí】尺寸介【jiè】于五代到六代之间【jiān】：1.6米×1.2米。龙【lóng】焱【yàn】以常规的【de】尺寸为【wéi】主，即1.2×0.6米，新的两条产线仍然是四代的尺寸，有【yǒu】想法【fǎ】要做三倍的尺寸，但是新的两条产线仍然是四代的尺寸。在生【shēng】产【chǎn】成本上，First Solar目前保【bǎo】持着领先【xiān】优势，已【yǐ】见报道的是1.3元/W，龙焱【yàn】去【qù】年宣【xuān】称实现成本低于【yú】2元【yuán】/W。单线产能上，First Solar G3的【de】产能单线80MW，现【xiàn】的在G6一条产线350MW，因为面积大【dà】效率也更【gèng】高;中建材的单【dān】线【xiàn】设【shè】计【jì】产能117MW，还没【méi】有达成;龙焱【yàn】新的产线是40MW，正在【zài】建。
碲化镉光伏生产成本还可以做【zuò】的更【gèng】低，可以从产业和技术两个方【fāng】面实现：在产业【yè】上，First Solar已经降低到【dào】这个水平，如【rú】果【guǒ】中国碲化镉光伏产业【yè】发【fā】展【zhǎn】起来，可【kě】以充分发挥中国【guó】光伏全产【chǎn】业链的【de】人【rén】才、设备、产业链配套等优势，有希【xī】望可以做的更低;技术上，碲【dì】化镉【gé】技术无【wú】论【lùn】是实验室效率还是从产线【xiàn】的【de】效率都有比较大提【tí】升的空间【jiān】。
碲化镉光伏【fú】技术的优势【shì】是碲化镉结构和成分【fèn】非常单一，碲和【hé】镉两种【zhǒng】单质在一起，化合之后【hòu】只有1:1的碲化镉一种生成物。工艺窗口很宽，即在【zài】很宽的【de】温度、气【qì】压范【fàn】围内都能够得到高【gāo】品质碲化镉【gé】材料，所以高效率【lǜ】碲【dì】化镉电池有许多不同【tóng】的制【zhì】备方【fāng】法【fǎ】。此外【wài】，碲化镉饱和蒸气压相当低【dī】，很适合【hé】真空生产过程。
当【dāng】前主流的生产技术路线：First Solar是气相输运法(VTD)技术【shù】路线。中建材、龙焱用的是近【jìn】空间升华(CSS)，玻【bō】璃基板加热的【de】温度比【bǐ】原料【liào】温【wēn】度【dù】稍低， 碲化镉【gé】原料从固态直接升华变成气态【tài】，遇到玻璃板马【mǎ】上凝结【jié】沉【chén】积。还【hái】有一种美国Reel Solar的【de】电镀方法，是在温度低于【yú】水的沸点、约80摄氏度左右【yòu】的含碲【dì】和镉【gé】化【huà】合物的水溶液中【zhōng】阴极沉【chén】积碲和镉，再用退【tuì】火【huǒ】处理的方【fāng】法得到高品质碲化镉的薄膜。
VTD的【de】碲【dì】化镉生产路线除【chú】了【le】生产【chǎn】速【sù】度快，还不需要停机加料，对【duì】大型碲化【huà】镉沉积设备加热升【shēng】温和停【tíng】机降温时间【jiān】都是以天来算的。VTD设备【bèi】原理上可【kě】以比较好【hǎo】的【de】避免生产中断。以【yǐ】往VTD的核心专【zhuān】利由First Solar持有，但2018年1月VTD专利已经过保护期【qī】，成为公开【kāi】知识。
四碲化镉电池还可以怎么降成本
如果国内掌握了大【dà】规模、稳【wěn】定、连续生产【chǎn】的技术，可以充分利用国内健全的产【chǎn】业【yè】链，进一步降低【dī】薄膜光伏生产成本，技术【shù】方面【miàn】碲化【huà】镉仍然有很大的提升空间，虽【suī】然从【cóng】2011年以来碲化镉电【diàn】池实验【yàn】室【shì】效【xiào】率纪录已经九次被打破了，但是仍【réng】然【rán】有比较大的提升空间【jiān】。
电【diàn】池当【dāng】前的世界纪录和【hé】理论值间的【de】差距，碲化镉有八个百【bǎi】分点，还有比较【jiào】大的提升空间。晶体硅只有四【sì】个百【bǎi】分点【diǎn】左右，铜铟镓硒的提【tí】升【shēng】空间也有【yǒu】八个【gè】百分点左右，但是生产可行性有待解决【jué】，需【xū】要在【zài】降低【dī】生产成【chéng】本上做【zuò】进一步的研究投入。碲化【huà】镉生产成本已经【jīng】比【bǐ】较低【dī】，效率也还有比【bǐ】较大的提升【shēng】空【kōng】间【jiān】。2011年以来的效率提升都是在电流提高上做的工作，且【qiě】已经做到理论极限，接下来必【bì】须在提【tí】高电【diàn】压方面进行研究工作。
碲化镉的实【shí】验室技术自2015年以来有很多突破，美国亚利桑那【nà】州立大学用分【fèn】子束外延技【jì】术制备出【chū】碲化镉单晶薄膜器件少子寿命【mìng】达到3.6微秒【miǎo】，这个指标比【bǐ】GaAs还高;开路【lù】电【diàn】压高【gāo】达1.12伏，比传统的【de】0.8~0.9V有明显提高，已【yǐ】经做到了【le】理论开压的90%以上。这从原理【lǐ】上【shàng】证【zhèng】明碲化镉材料作为光伏半导体材【cái】料没有本征缺陷，是【shì】一【yī】种【zhǒng】优【yōu】秀的光伏材料【liào】。
接下来的任务是将单晶里面高【gāo】开压碲化镉【gé】的技术转【zhuǎn】移到【dào】多晶薄膜【mó】中，科罗拉多州立大学在碲化镉薄膜中，使用氧化铝双【shuāng】面【miàn】钝化技【jì】术【shù】，获【huò】得了最高的【de】载流寿命达【dá】到430纳秒【miǎo】，2001年的世界纪录碲化镉电池的载流子寿命只有【yǒu】10纳米，现【xiàn】在已经提高了一个数量级。多【duō】晶【jīng】碲【dì】化镉薄膜电【diàn】池开【kāi】压普遍超过900mV已经【jīng】是可以指日可待了，已【yǐ】有明确的进一步提高电【diàn】压和效率【lǜ】的技【jì】术【shù】路径。
碲化镉电池的优势
一、碲化镉电池成本相对晶硅电池更低，所需材料【liào】厚【hòu】度只有【yǒu】晶【jīng】硅的1%。
二、碲化镉【gé】电池需要的纯【chún】度大概是四【sì】个9到【dào】五个9，晶体硅需要六个9以【yǐ】上【shàng】，纯度越高材料成【chéng】本越高，所以【yǐ】材料成【chéng】本有一【yī】定的【de】优势。
三、高【gāo】温高【gāo】湿的环境下，碲化镉电池【chí】相对【duì】同效率晶硅【guī】组件有更【gèng】多的发电量【liàng】，最多总【zǒng】发电【diàn】量可超过晶硅20%，普遍可以多发【fā】3%到5%。
四、碲化镉电池生【shēng】产时间【jiān】短，只需要9-21小时【shí】，度电【diàn】成【chéng】本上已经做到人民币5毛钱以下【xià】。
五【wǔ】、效率【lǜ】提升【shēng】的速度最近几【jǐ】年比较快，未来提升的空间【jiān】比晶硅电池大。
当然，这不是【shì】说碲化镉【gé】要替代【dài】晶体硅，但是如【rú】果【guǒ】市【shì】场规模增大一个数量级，可以给市场带来【lái】另【lìng】一个【gè】可靠的选择。
