本【běn】文根据刘向【xiàng】鑫【xīn】博士在9-21举行的【de】“碲化镉全球峰会暨第四届碲【dì】化【huà】镉材料与太阳能电池技术国际研讨会”上的演讲整理而成。
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【yuán】局“全民光伏计划”对十九大报告做了要点摘要：到【dào】2035年【nián】要基本实现社会主【zhǔ】义现代化，而现代【dài】化和用电水平直接相关。生【shēng】态环境根本【běn】好【hǎo】转【zhuǎn】、美丽中【zhōng】国基本【běn】实现【xiàn】，要实【shí】现环【huán】境友好的现代化。推进能源生【shēng】产和【hé】消费革命【mìng】，构建【jiàn】清【qīng】洁低碳安全高效的能源体系，发【fā】展【zhǎn】新能源将是愿景中的重要部分。
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，相当于需要【yào】安装【zhuāng】3.9-21.6TW光伏。为了形【xíng】象的【de】说明，在我【wǒ】国地图上标【biāo】出三个方块，这三个方块【kuài】中任何一个地方铺满效率为15%的【de】太【tài】阳能电池板，都【dōu】可以满【mǎn】足我国2016年全【quán】社会用电【diàn】量【liàng】。以北京、天津、华北平【píng】原一带为例，只【zhī】要将【jiāng】效【xiào】率【lǜ】为15%的太阳能电池板铺满边长【zhǎng】210公里的一个正方形区【qū】域就可以满足全国2016年用【yòng】电需【xū】求。虽然光伏能量可以【yǐ】供应的总量【liàng】巨【jù】大，但是短期【qī】内不可能所有的用电都来自光伏，应该尽量【liàng】争【zhēng】取能源结构多元化，光伏和其他清洁能源在我国能源结【jié】构中占【zhàn】到【dào】比较显著比重即可。
为什么【me】社【shè】会【huì】现【xiàn】代【dài】化程度【dù】和光伏有关系【xì】?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》这本书给出了联合【hé】国公布的国【guó】家【jiā】人类发展指数与国家人均用电量【liàng】分布图。纵【zòng】轴【zhóu】是人类发展指数，用比较好理解的意【yì】思是一个国家生活的幸福程【chéng】度【dù】，横轴【zhóu】是人均全社会用电量【liàng】。
以美国俄亥俄州一家三【sān】层楼【lóu】普通别墅为【wéi】实例，朝南的屋顶3/5面积装了二手碲化镉太【tài】阳能电池板，2006年安装【zhuāng】时效率只有9%;整栋房子装【zhuāng】了两块电表，分别记录电【diàn】网输【shū】入电量和【hé】光伏发【fā】电【diàn】卖出的【de】电量，两块电表年总【zǒng】电量【liàng】可以持平，即净用电量【liàng】是0。这意味【wèi】着4.3KW光【guāng】伏发【fā】电量【liàng】可以满【mǎn】足这家【jiā】美国家【jiā】庭整栋【dòng】房子全年的用电量，包括空【kōng】调、热【rè】水以及【jí】生活【huó】所有方【fāng】面，同时还【hái】包括每天40分钟电动车的通勤。4.3KW足够一个【gè】标【biāo】准美国【guó】家庭自发自用，如果按7元/W的系统成本仅需要3万元，所以对于家庭而言安装【zhuāng】光伏发电的成本其实【shí】并【bìng】不大。
现在我国人均【jun1】全社【shè】会年用电【diàn】量水平【píng】约4000-5000度【dù】，如果要基本实【shí】现现代化【huà】，用电水【shuǐ】平应【yīng】该达到9000度水【shuǐ】平【píng】，从4000-5000度【dù】到9000度，增【zēng】量是4000-5000度。通过测算，1W的光伏电池板一年在我国东部平均发【fā】电量是1度【dù】;如【rú】果到2035年增加一倍的全国用电【diàn】量【liàng】，光伏累计安装【zhuāng】量只需要占【zhàn】到其【qí】增量中的1/4到1/5，就可以增加【jiā】每人【rén】每年1000度的【de】光伏发电【diàn】量，相当于1300GW到1500GW的总增【zēng】量，基本上符合【hé】我国能源【yuán】局规划的2035年人均1000W光伏的设定。
这说明“全民光伏【fú】计划”提出2035年每人1000W光【guāng】伏装机量【liàng】不【bú】是奇思妙【miào】想【xiǎng】，但【dàn】是对【duì】于光伏行业来说这将【jiāng】是一个巨【jù】大【dà】的市场，依据这个规划将从【cóng】现在的总安装量130GW还【hái】要再增加一【yī】个数量级(10倍)。
二、为什么说碲化镉适合大规模应用
如果要支撑【chēng】我国如此【cǐ】大的用电发【fā】展需求，光伏必【bì】须【xū】要便宜。技术路线要做到三个【gè】基【jī】础要求【qiú】——成本足够低、转换效率足够高、寿【shòu】命足够长。
晶体硅【guī】技术已经可以做【zuò】得到这【zhè】三点，所以成为【wéi】了主流的技术。碲【dì】化【huà】镉这三方面都不是问题【tí】，并且具备了很多优势。
在产业化方面，传统【tǒng】碲化镉【gé】薄膜太阳能电池组件尺寸是1.2米【mǐ】×0.6米，从【cóng】去年【nián】开始FirstSolar发布【bù】第六代【dài】、功率达到【dào】420W的以上组件产【chǎn】品，尺【chǐ】寸达【dá】到1.2米×2.0米，全面积效率可以达到18%，与【yǔ】市面上第一梯队晶硅组件【jiàn】相【xiàng】当【dāng】。
为什么【me】要走【zǒu】大面【miàn】积的路线?碲【dì】化镉薄【báo】膜和晶硅组件不【bú】同，碲化镉【gé】薄膜电【diàn】池【chí】工艺类【lèi】似半导体薄膜光电器件工【gōng】艺的流程，和液晶面板产业类似。设备的【de】折【shé】旧成本【běn】随尺寸增加呈现【xiàn】下降的逼近曲线关系，现在以【yǐ】碲化镉为代表的【de】薄膜组【zǔ】件尺寸【cùn】越来越大，目的【de】就是为了降低设备摊销的【de】成本。
新一代碲化镉组件尺寸【cùn】比【bǐ】晶【jīng】硅72片组【zǔ】件略【luè】大，应用中【zhōng】可节省系统【tǒng】成本和安装成本。已经有不同【tóng】厂【chǎng】家开始【shǐ】筹划制造更【gèng】大尺寸的组件产品。类似液晶【jīng】面板产业【yè】以面【miàn】积增加形成的【de】代际提升趋势已经【jīng】开始呈现。
在发电能力方面【miàn】，同样【yàng】标准功率【lǜ】下【xià】在不【bú】同光照的地区，碲【dì】化镉年发电【diàn】量比晶【jīng】硅更有优势【shì】。就中国大部【bù】分区域【yù】模拟【nǐ】计算【suàn】结【jié】果而言，碲化镉【gé】相对同样标称功率的晶硅系统应该至少有3%到5%的发电【diàn】量【liàng】增益;在【zài】高温高湿的热带【dài】气候【hòu】环境中，发电量增益甚至可以达【dá】到20%。从【cóng】电【diàn】站运营的角度这样的增益是非常有吸引力的。
三、全球碲化镉技术发展现状
现在，全球最大的碲【dì】化【huà】镉企业是美国First Solar公司，另【lìng】外两家是中国企业——中建材和杭【háng】州【zhōu】龙【lóng】焱，还有其他厂家的项目【mù】正在推进【jìn】中。First Solar第四代组【zǔ】件效率约16.5%-17%，今【jīn】年新的第六【liù】代【dài】大面积产品效率达到17.9%-18.8%，中建材是12%-13%之【zhī】间，龙【lóng】焱【yàn】也是12%-13%之间。
中建材【cái】的生产线正在做生【shēng】产调【diào】试，其【qí】尺寸介于【yú】五代到六代之间【jiān】：1.6米×1.2米。龙焱以常规的尺【chǐ】寸【cùn】为主，即【jí】1.2×0.6米【mǐ】，新的【de】两条【tiáo】产线仍然是四代【dài】的尺寸，有想法要【yào】做【zuò】三【sān】倍的尺寸，但是新的两条产线仍然是四代的尺寸。在生产成本上，First Solar目前保持着领先优势，已见报道的是【shì】1.3元/W，龙焱去【qù】年【nián】宣称实现成本低于2元/W。单线产【chǎn】能上【shàng】，First Solar G3的产能单线80MW，现的在G6一条产【chǎn】线350MW，因为面积大效率也更高;中【zhōng】建【jiàn】材【cái】的【de】单线设计产【chǎn】能【néng】117MW，还没【méi】有达成;龙【lóng】焱新的产线是40MW，正在建【jiàn】。
碲【dì】化镉光伏【fú】生产成本【běn】还可以做【zuò】的更低【dī】，可【kě】以从产业和技术两个【gè】方面实现：在产业上，First Solar已经降【jiàng】低到这个水【shuǐ】平，如果中国碲化【huà】镉光伏【fú】产业发展起来【lái】，可以充分发挥中国光伏全产业链的人【rén】才、设备、产【chǎn】业链配套等优势，有希望可以做的【de】更低;技【jì】术上，碲化镉技术无论【lùn】是【shì】实验【yàn】室效率还是【shì】从产线的【de】效【xiào】率都有比较大提升的空间。
碲化镉光伏技术的优势是碲【dì】化镉结构和【hé】成分非【fēi】常单一，碲和镉两种单【dān】质在一起，化合之后只有【yǒu】1:1的碲化镉一种生成物。工【gōng】艺窗口很宽【kuān】，即在【zài】很宽的温度【dù】、气压范围内都能够【gòu】得【dé】到高品质【zhì】碲【dì】化镉材料，所以高效率【lǜ】碲化镉电池【chí】有许多【duō】不【bú】同的制备方法。此外，碲化镉饱【bǎo】和蒸气压【yā】相【xiàng】当低，很适【shì】合真空【kōng】生【shēng】产过程【chéng】。
当前主流【liú】的【de】生产技术路线【xiàn】：First Solar是气相输【shū】运法(VTD)技【jì】术【shù】路【lù】线【xiàn】。中建材、龙焱【yàn】用的是近空间升华(CSS)，玻璃基板加热的温度比原料温度【dù】稍低【dī】， 碲化镉原料从固态直接升华变成气态【tài】，遇到玻璃板马上凝【níng】结沉积。还有一【yī】种美国Reel Solar的电镀方【fāng】法，是【shì】在【zài】温【wēn】度【dù】低于水的沸点【diǎn】、约80摄氏度左右的含碲和【hé】镉化合物【wù】的水【shuǐ】溶液【yè】中阴极沉【chén】积碲和镉【gé】，再用退火处理的方法得【dé】到高品质碲化镉的薄膜。
VTD的碲化镉生产【chǎn】路线除了生产【chǎn】速度【dù】快，还不需【xū】要停机加料，对大型碲化镉【gé】沉积【jī】设【shè】备【bèi】加热升温【wēn】和停机降温时间都是以【yǐ】天来算的【de】。VTD设备原理上可以比较好的避免【miǎn】生产【chǎn】中断。以往VTD的核【hé】心专利由【yóu】First Solar持有，但2018年1月VTD专【zhuān】利【lì】已经过保护期，成为公开知识【shí】。
四、碲化镉电池还可以怎么降成本
如果国内掌握了【le】大规模【mó】、稳定、连续生产【chǎn】的技术，可【kě】以充分利用国内健全的产业链，进【jìn】一步降低薄【báo】膜光伏生产成【chéng】本，技术方面碲化镉【gé】仍然【rán】有很大【dà】的提升空间，虽然从2011年以来碲化镉【gé】电池【chí】实验室效率纪录已经【jīng】九次被打【dǎ】破【pò】了【le】，但是仍然有比较大的【de】提【tí】升空间。
电【diàn】池【chí】当【dāng】前的世界纪录和理【lǐ】论值【zhí】间的差【chà】距，碲化镉有八个百【bǎi】分【fèn】点，还有比较大的提升【shēng】空间。晶体硅只有四【sì】个百分点【diǎn】左右，铜铟【yīn】镓硒的提升空【kōng】间也有八【bā】个【gè】百分【fèn】点【diǎn】左右，但是【shì】生产可行性有待解决，需要在【zài】降低生产成本上做进一步的【de】研究投【tóu】入。碲化镉生产成本已【yǐ】经比较低，效率也【yě】还有比较【jiào】大的提升空间。2011年以【yǐ】来的【de】效率提升都是在电流【liú】提高上做的工【gōng】作，且已经做到理论极【jí】限，接【jiē】下来必须【xū】在提高电压方面进行【háng】研究工作。
碲化镉的实验【yàn】室【shì】技术自2015年【nián】以来【lái】有很多突破，美国亚利桑那州立【lì】大学【xué】用分子【zǐ】束外延技术制备出碲化镉单晶【jīng】薄【báo】膜器件少子寿命【mìng】达到3.6微秒，这个【gè】指标比【bǐ】GaAs还高;开路电压高达1.12伏，比传统的0.8~0.9V有明【míng】显提高，已经做到了【le】理论开压的90%以上。这【zhè】从原理上证明【míng】碲化镉【gé】材料作为【wéi】光伏半导体材料没有【yǒu】本征缺【quē】陷，是一种优秀【xiù】的【de】光伏材【cái】料。
接【jiē】下来的任务是将单晶里面高开压碲【dì】化镉【gé】的技术转移到多晶薄膜【mó】中，科罗【luó】拉【lā】多【duō】州立大学【xué】在碲【dì】化镉【gé】薄膜中，使用氧化铝双面钝【dùn】化技术，获得了最高的载流寿命达【dá】到430纳秒，2001年的世【shì】界纪【jì】录【lù】碲化镉电池的载流【liú】子寿命只【zhī】有10纳【nà】米【mǐ】，现在【zài】已经提【tí】高了一个数量级。多晶【jīng】碲化镉【gé】薄膜电池开压普遍【biàn】超过900mV已经是可以指日可待了，已有【yǒu】明确的【de】进【jìn】一步提高电压和效率的技术路径。
五、碲化镉电池的优势
一)碲【dì】化镉电池【chí】成本相对晶硅电池更【gèng】低，所需材料厚【hòu】度只有晶【jīng】硅的1%。
二)碲化镉电池需要的纯【chún】度大概是【shì】四个9到五个9，晶【jīng】体硅需要六个9以上，纯度越高材料【liào】成本越高，所以【yǐ】材料成【chéng】本【běn】有【yǒu】一定【dìng】的优势。
三)高温【wēn】高湿的环境【jìng】下，碲化镉电池相对同效【xiào】率晶硅【guī】组件有更多的发电【diàn】量，最多【duō】总发电量可超过晶硅【guī】20%，普遍可以多发3%到5%。
四【sì】)碲化镉【gé】电池生产时间【jiān】短，只需【xū】要9-21小时，度电成本上已经做【zuò】到人民币5毛钱以【yǐ】下。
五)效率提升的速度最近【jìn】几年【nián】比【bǐ】较快，未来提升【shēng】的空间比晶硅电【diàn】池大。
当然【rán】，这不是说碲化镉要替【tì】代晶体硅，但【dàn】是如果市场规【guī】模增大一【yī】个数量级，可以【yǐ】给【gěi】市场带来另一个可靠的选择【zé】。
