碲化鎘薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)化

龍焱能源科技(杭州)有限公司 ■ 吳選之

一 CdTe薄膜太陽電池技術(shù)簡(jiǎn)介

太陽能發(fā)電是解決人類未來能源需求的最有潛力的可再生能源。根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)報(bào)告，太陽一天發(fā)射到地球表面的能量，可供全人類27年的用電需求。IEEC估算，到2050年光伏發(fā)電可占全球發(fā)電總量的11%，累計(jì)裝機(jī)總量可達(dá)3000GW。

能否實(shí)現(xiàn)為人類提供大量潔凈而廉價(jià)的太陽能發(fā)電，關(guān)鍵是要發(fā)展能制備出高效、廉價(jià)的太陽電池組件的技術(shù)。在眾多的光伏發(fā)電技術(shù)中，碲化鎘(CdTe)本身固有的材料性能和它的發(fā)展實(shí)踐，已經(jīng)證明CdTe薄膜太陽電池是一種適合于大規(guī)模生產(chǎn)的高效廉價(jià)太陽電池。

CdTe薄膜太陽電池具有以下特點(diǎn)：

(1)CdTe本身具備與地面太陽能光譜匹配的禁帶寬度(約1.45eV)和高于硅材料100倍的吸收系數(shù)(＞105cm?1)等材料特性，適合制備高效薄膜太陽電池。CdTe大面積組件的效率已超過13%。

(2)CdTe相比硅材料具有其功率溫度系數(shù)低(?0.21%/K)和弱光效應(yīng)好等特性。CdTe組件發(fā)電能力高于硅組件約10%。

(3)CdTe屬于簡(jiǎn)單的二元化合物系統(tǒng)，易生成單相材料。已有10種以上的技術(shù)可制備10%以上的CdTe小面積電池，其中已有5種技術(shù)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。特別是CSS(近距離升華)和VTD(氣相輸運(yùn)沉積)技術(shù)，具備沉積速率高(3～10μm/min)、膜質(zhì)好、晶粒大、原材料利用率高(＞85%)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大規(guī)模生產(chǎn)。

(4)目前CdTe組件是所有太陽電池組件中性價(jià)比最好的。目前組件成本可做到0.64美元/W左右，當(dāng)組件效率達(dá)13%，成本可進(jìn)一步降到0.5美元/W。

(5)CdTe組件大規(guī)模的應(yīng)用已得到驗(yàn)證，在全世界在建的和已完成的10個(gè)大型光伏電站中，有6個(gè)且其中最大的3個(gè)(300MW以上)都是采用CdTe組件。

(6)大量研究表明，CdTe組件是環(huán)保友好的產(chǎn)品。CdTe不同于元素鎘，是穩(wěn)定的化合物，能被安全使用。CdTe薄膜組件中CdTe用量很小，1MW CdTe組件僅需約250kg的CdTe。CdTe被密封在兩塊玻璃之間，常溫下沒有Cd的釋放。即使在1100℃的高溫下，根據(jù)美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)報(bào)告，99.96%的CdTe都被熔化的兩塊玻璃封住而沒有泄露。比較其他幾種太陽電池及其他能源，在CdTe太陽電池組件制備和使用全壽命期內(nèi)，總的鎘釋放量為最低(見圖1)。

歐洲PV Accept Project報(bào)告顯示，CdTe太陽電池的能量回收期僅為0.9年，F(xiàn)S的實(shí)踐也已證明其為10個(gè)月。CdTe組件生產(chǎn)廠商回收廢舊CdTe組件，并應(yīng)用已開發(fā)的廢舊組件再利用技術(shù)，可重新利用其中的主要原材料，達(dá)到既加強(qiáng)環(huán)保又逐步實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式。2011年，歐盟已經(jīng)豁免了RoHS(全稱為《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》)的要求，大量CdTe組件已廣泛應(yīng)用于德國(guó)、西班牙、意大利等一些歐盟國(guó)家。

二 CdTe薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)化

由于CdTe材料本身所具備的一系列特性，十分適用于生產(chǎn)大規(guī)模高性能、低成本太陽電池組件。早在1991年，F(xiàn)irst Solar的前身Solar Cell Inc.和Abound的前身AVA就開始從事CdTe太陽電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。之后，又有ANTEC等20余家企業(yè)加入到這一行列。表1、表2列出了近幾年從事碲化鎘太陽電池產(chǎn)業(yè)化的一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)和部分研究單位。

表中有些公司由于各種原因已經(jīng)終止產(chǎn)業(yè)化的工作；有的公司盡管已投入大量資金建立了生產(chǎn)線，但至今仍未形成大規(guī)模生產(chǎn)的能力；還有的公司由于生產(chǎn)成本高等原因，已經(jīng)終止已有的生產(chǎn)能力?？傊壳澳軌虼笠?guī)模生產(chǎn)CdTe薄膜光伏組件的生產(chǎn)廠商只有First Solar一家?？梢奀dTe技術(shù)產(chǎn)業(yè)化不是一件單純的技術(shù)工作，而是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)CdTe技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化有一定的難度。

表1 國(guó)外從事CdTe薄膜太陽技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司

表2 國(guó)內(nèi)從事CdTe薄膜太陽電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司和部分研究單位

龍焱能源科技(杭州)有限公司，位于杭州(下沙)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，成立于2008年5月，一直致力于在中國(guó)實(shí)現(xiàn)CdTe薄膜太陽電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過四年的努力，先后成功建立了實(shí)驗(yàn)線、中試線和生產(chǎn)線，經(jīng)歷了從研制實(shí)驗(yàn)室小面積(約1cm2)電池到研制3''×3''和6''×6''小型組件，再到生產(chǎn)0.6m×1.2m大面積組件等各個(gè)階段(見圖2)，開發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整套生產(chǎn)工藝和核心設(shè)備，建立了一條全自動(dòng)化、年產(chǎn)30MW的CdTe薄膜組件生產(chǎn)線。

龍焱產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)是大規(guī)模生產(chǎn)“四高一低”的大面積CdTe組件，“四高”是指高效、高優(yōu)品率、高生產(chǎn)率和高穩(wěn)定性，“一低”是低成本。整個(gè)產(chǎn)業(yè)化分成四個(gè)階段完成，“四高一低”的要求貫穿在整個(gè)產(chǎn)業(yè)化的過程。

1 籌備階段

除完成常規(guī)的公司選點(diǎn)、注冊(cè)、人員招聘與培訓(xùn)、設(shè)備與材料商的調(diào)研等工作外，主要完成了技術(shù)路線和實(shí)施計(jì)劃的制定。這項(xiàng)工作是在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上完成的。我們不僅要充分了解各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，而且要了解成功的和終止產(chǎn)業(yè)化的各家公司在實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。這不僅有利于公司能確定一個(gè)既高標(biāo)準(zhǔn)而又實(shí)事求是，經(jīng)過努力可實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)及技術(shù)路線，而且還能幫助我們?cè)趯?shí)施過程中少走彎路，起到事半功倍的作用。

兩種CdTe薄膜沉積技術(shù)：CSS和VTD，CSS作為最常用的沉積技術(shù)被用于CdTe太陽電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中。CSS法中，多數(shù)公司采用沉積源在下、襯底在上的傳統(tǒng)沉積方式。這種方式沉積源的結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，但載片系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜。特別后者還限制了襯底的溫度，從而限制效率的提高。也有少數(shù)幾家公司采用改良型的結(jié)構(gòu)，源在上而襯底在下，但由于沉積源的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜或沒能在R&D階段充分試驗(yàn)，很多細(xì)節(jié)沒能考慮周到，結(jié)果沒有取得成功。我們吸取了這些教訓(xùn)，充分認(rèn)識(shí)到沉積源在這臺(tái)設(shè)備中的重要性，在研發(fā)、中試和生產(chǎn)線階段，分別安排相應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)。

在研發(fā)階段，研制了一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)(見圖3a)，專門進(jìn)行沉積源的研究。就沉積源的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加熱方式、沉積速度、薄膜的厚度以及均勻性控制等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，前后共進(jìn)行試驗(yàn)100余次。在中試階段，研發(fā)一臺(tái)1'×1'CdTe薄膜連續(xù)高速沉積系統(tǒng)(見圖3b)，重點(diǎn)研究了傳動(dòng)和真空等系統(tǒng)。兩個(gè)階段工作的合成不僅讓我們?nèi)〉弥性嘋dTe薄膜沉積設(shè)備調(diào)試一次成功，而且為下階段研制生產(chǎn)線的高速連續(xù)大面積CdTe薄膜沉積設(shè)備提供了已證實(shí)可行的方案和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為該臺(tái)設(shè)備研制成功做了充分準(zhǔn)備(見圖3c)。

2 研發(fā)階段

在研發(fā)階段前期，我們建立了一個(gè)1200m2擁有50余臺(tái)沉積和測(cè)試設(shè)備的薄膜太陽電池實(shí)驗(yàn)室，并系統(tǒng)研究了一些新材料新、工藝以及集成與封裝技術(shù)。

在這條實(shí)驗(yàn)線上(圖4)，研制出了效率超過15%的CdTe小面積電池(圖5)和效率超過14%的3''×3''小型組件(圖6)。這些結(jié)果為現(xiàn)在大面積組件提高效率打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 中試階段

中試階段是產(chǎn)業(yè)化中十分重要的一環(huán)，起到承上啟下的特殊作用。我們要求中試線向生產(chǎn)線提供“六出”：出工藝、出設(shè)備、出高效組件、出環(huán)保、出廠房總體設(shè)計(jì)和出人才。所有設(shè)備與工藝開發(fā)均按照“四高一低”的要求進(jìn)行。中試線的工作要為生產(chǎn)線的建設(shè)做好全面的準(zhǔn)備。主要工作有：

(1)中試線要集成所有在實(shí)驗(yàn)線已開發(fā)出的各種技術(shù)，形成整套的生產(chǎn)工藝。

(2)整套工藝要繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的研究，如提高沉積速率，采用廉價(jià)的國(guó)產(chǎn)材料等。

(3)研制核心設(shè)備，如研發(fā)1'×1'CdTe薄膜高速連續(xù)沉積設(shè)備。

(4)組件穩(wěn)定性的研究，包括：

① CdTe電池本征穩(wěn)定性試驗(yàn)。公司成立4年，已有3年多的室內(nèi)外穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)。通過這些試驗(yàn)，取得了大量有關(guān)不同工藝參數(shù)、材料和電池結(jié)構(gòu)等對(duì)電池穩(wěn)定性的影響，為提高大面積組件穩(wěn)定性提供了大量寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7為2塊3''×3''小型組件經(jīng)過3年室外老化的效率變化曲線。

② CdTe組件的環(huán)境試驗(yàn)，按照IEC61646-2008標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中試組件進(jìn)行了一系列系統(tǒng)試驗(yàn)，如紫外預(yù)處理、高低溫循環(huán)試驗(yàn)(T200)、濕凍循環(huán)試驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)(雙85)。測(cè)試結(jié)果表明，全部被測(cè)組件都通過了以上測(cè)試，見表3。這些工作為現(xiàn)在正在進(jìn)行的產(chǎn)品認(rèn)證奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(5)環(huán)保：我們?cè)诃h(huán)保方面做了3件事。① 研究了三廢處理技術(shù)。通過處理，廢氣廢水中重金屬的含量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)；② 成立專職的安全環(huán)保組，采取一系列措施，如設(shè)備密封、員工的職業(yè)衛(wèi)生，嚴(yán)格的防護(hù)措施等確保員工的身體健康。此外，公司每年對(duì)所有員工進(jìn)行體檢，包括尿鎘檢查。幾年檢查結(jié)果表明，員工平均尿中鎘的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且沒有升高的趨勢(shì)。③成功研發(fā)廢舊組件的回收和再利用技術(shù)。這樣既可避免廢舊組件可能造成的環(huán)境污染，還可對(duì)鎘、碲等重要資源進(jìn)行回收和再利用(圖8)，逐步實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

(6)應(yīng)用1'×1'CdTe高速連續(xù)沉積設(shè)備和集成整套工藝，并采用全部國(guó)產(chǎn)原材料，制備出6''×6''組件，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)質(zhì)量中心(STC)檢測(cè)和認(rèn)證，轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.58%，如圖9所示。

4 生產(chǎn)線建設(shè)階段

表3 中試6″×6″組件環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

從2010年第二季度開始，龍焱能源科技開始首期廠房的建設(shè)。2010年末，建成21000m2的生產(chǎn)廠房(可容納2條30MW生產(chǎn)線)，第一條生產(chǎn)線所需的40余臺(tái)國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)和測(cè)試設(shè)備，在完成安裝調(diào)試后已投入使用，如圖10所示。

2011年9月進(jìn)行生產(chǎn)線的第一次聯(lián)調(diào)，0.6m×1.2m組件成品率(當(dāng)時(shí)規(guī)定效率＞8%)達(dá)100%，最高效率超過10%，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)調(diào)一次成功。之后，我們對(duì)這條生產(chǎn)線進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化工作。

公司近期的進(jìn)展如下：

(1)提高組件轉(zhuǎn)換效率是降低組件成本最有效的措施。我們經(jīng)過材料與工藝的優(yōu)化，0.72m2CdTe組件最高效率已達(dá)11.86%(由TUV Nord測(cè)試和認(rèn)證)，如圖11所示。

(2)在提高設(shè)備與工藝穩(wěn)定性，加強(qiáng)原材料供應(yīng)的穩(wěn)定性以及導(dǎo)入ISO-9001質(zhì)量管理體系等基礎(chǔ)上，組件優(yōu)品率進(jìn)一步得到提高。圖12顯示了在一次聯(lián)調(diào)全部組件效率的分布，共投片50片，組件效率分布在11.05%～11.65%之間，平均效率達(dá)到11.41%，平均輸出功率達(dá)75.43W。

(3)為降低制造成本，我們生產(chǎn)線上全部設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，且很多設(shè)備都是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)。有些設(shè)備在穩(wěn)定性方面有不足之處，經(jīng)過與生產(chǎn)廠商的長(zhǎng)期共同努力，很多設(shè)備明顯提高了開機(jī)率，現(xiàn)在生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)班產(chǎn)240片組件的能力。

(4)在實(shí)驗(yàn)室小型電池和中試組件3年多老化研究的基礎(chǔ)上，將一系列實(shí)踐中已證明行之有效的措施應(yīng)用于0.72m2大面積組件上，并做了進(jìn)一步的改善，組件穩(wěn)定性取得較好的結(jié)果。圖13為龍焱CdTe組件室外老化場(chǎng)地，可同時(shí)老化組件120塊。

(5)為滿足各種電站的需要，開發(fā)出3類產(chǎn)品：高電壓低電流組件(S1)、低電壓高電流組件(S2)以及透光率及圖案等可隨客戶要求而定做的BIPV組件(ST1)。表4列出了S1系列的主要參數(shù)。

(6)采用龍焱CdTe組件和商用的晶硅組件，建造了一座3kW光伏實(shí)驗(yàn)電站。目前電站運(yùn)行正常，而且運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：CdTe組件由于低溫度系數(shù)和良好的弱光效應(yīng)，發(fā)電能力比硅組件約高出10%，如圖14所示。

表4 產(chǎn)品S1系列的主要參數(shù)表

三 結(jié)語

CdTe本身固有的材料特性和發(fā)展實(shí)踐證明，CdTe多晶薄膜太陽電池技術(shù)是一種適合于大規(guī)模生產(chǎn)的高效廉價(jià)的太陽電池技術(shù)。

龍焱能源科技(杭州)有限公司成功邁出了CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化的第一步：開發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全套生產(chǎn)大面積CdTe組件的工藝與核心設(shè)備，建立了一條全自動(dòng)化的30MW CdTe組件生產(chǎn)線，組件平均效率達(dá)11.4%，最高組件效率達(dá)11.86%。生產(chǎn)線還開發(fā)出三類產(chǎn)品，成功應(yīng)用于光伏電站。

在目前我國(guó)光伏行業(yè)處于困難時(shí)期，龍焱能源科技采取“苦練內(nèi)功、蓄勢(shì)待發(fā)”的企業(yè)戰(zhàn)略，走“先強(qiáng)后大”的發(fā)展道路，充分發(fā)揮龍焱團(tuán)隊(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)提高現(xiàn)有產(chǎn)品的效率，大力開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)，充分進(jìn)行市場(chǎng)差異化的運(yùn)作，為我國(guó)普及潔凈而便宜的太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。