碲化鎘薄膜發電玻璃在光伏水面電站上的應用

吳一民 殷新建

摘要：鑒于光伏水面電站可以充分利用我國充足的水面資源，并有效緩解土地、屋頂資源短缺形勢，同時具備促進生態健康、提高發電水平、利于就近消納等優點，因此成為極具前景的太陽能光伏發電新興應用領域。本文結合碲化鎘薄膜發電玻璃固有的產品優勢、產能優勢等，探討了碲化鎘薄膜發電玻璃在光伏水面電站上的應用可能和發展前景。

關鍵詞：新能源 光伏水面電站 碲化鎘薄膜發電玻璃 雙玻組件

1引言

近年來，日益加劇的能源危機、環境污染和氣候變化已經引起全社會的高度重視。調整能源產業結構，提高可再生能源應用比例已經成為全社會的共識，全球多個國家均把發展可再生能源作為實現可持續發展的重要方式。對我國而言，實現碳達峰、碳中和目標，目前最重要的任務同樣是實現能源體系的低碳轉型，將碳達峰和碳中和目標與經濟社會發展、生態環境保護和能源革命目標結合起來，實現綠色、低碳、循環的高質量協同發展。

據預測，太陽能光伏發電在 21 世紀會占據世界能源消費的重要席位，到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到 30%以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到 10% 以上; 到 21 世紀末，可再生能源在能源結構中將占到 80% 以上，太陽能發電將占到 60% 以上。[1]這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。

其中光伏水面電站作為一個極具前景的光伏發電新興應用領域，已被國際社會廣泛認可并積極推廣。因光伏水面電站具有可以充分利用閑置水面資源、緩解土地及屋頂等稀缺資源利用形式緊張;減少水量蒸發、促進生態環境健康;可建設在用電負荷中心以利于就近消納;同時能夠充分利用水面對組件板的冷卻效應及水面反射的二次光能，提高組件發電量等突出優點，成為了極具前景的光伏發展新模式。

同時在硅材料成本居高不下、能源回收周期較長的背景下，作為新興的第二代薄膜太陽能電池，碲化鎘薄膜發電玻璃以其最低的生產成本，優異的發電性能等優勢在近幾年脫穎而出，成為薄膜太陽能電池領域的領先技術并取得了極好的產業化進展。本文結合光伏水面電站發展前景、技術要求，探討了碲化鎘薄膜發電玻璃在光伏水面電站上的應用可能和前景。

2分布式水面光伏的產業化發展前景

根據中國光伏行業協會對2011-2025年我國光伏新增容量的預測數據，自2020年以來將迎來我國光伏裝機容量的線性增長。十四五期間年均光伏新增容量規模為70～90GW。2020年我國光伏集中式、戶用和分布式工商業裝機容量分別為32.7GW、10GW和5.5GW，其中光伏集中式電站對土地需求約為66萬畝;5.5GW的工商業分布式裝機容量約需屋頂面積8250萬平;目前，光伏發電市場已進入到了飛速發展的時代，但隨著光伏裝機量的持續增長，土地、屋頂資源正在成為制約光伏規模化發展的關鍵因素之一。

在此背景下，潛在資源的探索利用成為光伏技術和應用模式的重要研究方向。近年來，除了與建筑有機結合的光伏建筑一體化（BIPV）領域的深入研究探索之外，光伏水面電站作為光伏發電的新形式，已被廣泛認可并積極推廣。光伏水面電站是指在水塘、湖泊、水庫等水上建立的光伏電站。以日本、韓國、巴西、英國為代表的國家，走在了水上光伏的前列。[2]

以漂浮式光伏水面電站為例，截至2018年，全球漂浮式光伏電站總裝機容量約為1.1GW，若全球1%的可利用水面用來建設漂浮式光伏電站，總裝機容量將高達404GW，發展潛力十分巨大。且根據相關數據測算，一般情況下，雖然水上光伏電站建設成本比地面電站約高5%～12%，但結合發電量增益，水上電站已具備同地面電站競爭的條件。我國水資源豐富，湖泊、水庫、近海岸線眾多。目前國內的漂浮電站在內陸水體上的主要技術難題已經解決，在諸如近海水域、嚴重污染性水體和超低溫水面等苛刻的環境下的應用研究也穩步推進。在我國可利用水面資源方面，據統計，中國有8.6萬座水庫，總庫容6924*108立方米，全國水庫水面總面積25619千公頃;中國湖泊資源總面積9.1萬平方公里，面積1千平方米以上的有2700多個;我國大陸海岸線總長度達1.8萬公里，可利用海域面積超過300萬平方公里。發展光伏水面電站的資源與技術條件已然具備，大規模發展光伏水面電站具有非常可觀的發展前景。[3]

近年來我國水上光伏電站將逐步從示范階段邁入大規模應用階段并逐漸領跑國際水面光伏建設。自2015年底我國首座水面漂浮式光伏發電站試驗項目在湖北省棗陽市熊河水庫建成投產，標志著我國的水上漂浮光伏電站正式起步以來，我國已陸續在江蘇、安徽、廣西等多地建設有光伏水面電站。[4]2021年5月，德州丁莊華能光伏電站一期100兆瓦項目今天并網發電，這是全球單體最大的水面漂浮式光伏電站，該水上光伏發電項目規劃總裝機容量320兆瓦，項目全部建成后，每年可提供清潔能源4.2億千瓦時，節約標煤20.5萬噸，節能減排效益顯著。

3分布式光伏水面電站解決方案

光伏水面電站按基礎形式可分為樁基（樁柱式基礎） 固定電站和水面漂浮電站兩種。其具體形式的選擇一般可由水深初步決定。淺水區（水深小于3m）可采用樁基固定方式;深水區 （水深大于3m，徑流穩定，水位變化一般小于6 m，水深基本一致） 可采用水面漂浮方式。[5]

樁基固定電站與傳統的光伏支架類似，在水下固定樁基，組件支撐于支架上，支架固定于樁上，生產成本較高，施工難度較大，僅適用于水域較淺的地方，故裝機規模與發展潛力受到較大制約。水面漂浮電站是在水面上設置漂浮模塊，利用塑料浮體的浮力承受光伏組件及相關設備的重量，將光伏組件直接固定在模塊上，或將光伏組件固定于支架上，再將支架固定在模塊上，浮體固定于岸邊或水底，對于各種水域的適應性較強。[6]大型水上光伏電站主要采用水面漂浮電站模式。

漂浮式光伏水面電站的技術要點主要包括系統設計、浮體產品與材料、浮體結構與方陣、錨固系統等，由于并網規模大，后期運維難度大，環境潮濕，加劇組件PID及設備腐蝕等特點及挑戰，在實際應用當中，各環節均需根據相關標準進行詳細測算、模擬、設計。具體技術要點可見下表1。

光伏水面電站行業的國內各領軍企業，不斷在浮體安裝、系統排布、錨固系統等方面作出相關設計優化，并提出大型光伏水面電站智慧解決方案。例如陽光電源的水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的整體方案等，較好地解決了大型光伏水面電站所面臨的挑戰。本文主要針對光伏水面電站對光伏組件的要求進行探討。

水上光伏項目的特殊環境使其對光伏組件有著嚴格的要求，傳統組件的背板采用的是有機復合材料，易受自然環境因子的侵蝕，透過背板的水汽使劣質的 EVA 樹脂很快分解析出醋酸，而導致組件內部發生電化學腐蝕，增加了出現 PID 衰減的概率。因此散熱快、溫差小、耐腐蝕、抗潮濕的雙玻組件脫穎而出。雙玻組件背板采用強化玻璃，光線照射下也不會產生黃變，并且玻璃本身硬度高，不易受風沙的磨損，也不會被酸、堿、鹽、霧、水汽等因素侵蝕，基本接近零透水率，無鋁邊框、抗PID、耐腐蝕這些特點都使雙玻組件更加與水面光伏特殊性契合。

4碲化鎘薄膜發電玻璃

碲化鎘薄膜發電玻璃即是標準的雙玻組件。它是以直接帶隙II-VI族半導體CdTe為光吸收層的一種薄膜化合物太陽能電池，禁帶寬度約為1.45eV，光吸收系數高，1μm厚的CdTe薄膜足以吸收99%波長小于900nm的紫外光、可見光及近紅外光，激發產生光生載流子，有很高的光電轉換效率和較低的成本。

在國際市場硅原材料持續緊張，硅片生產成本居高不下的背景下，薄膜太陽電池已成為國際光伏市場發展的新趨勢和新熱點。薄膜太陽能電池膜層厚度僅為傳統硅電池片厚度百分之一，通過在玻璃、金屬、塑料等多種價格低廉的材料表面沉積就可以實現太陽能發電的目標，后發優勢逐漸明顯。其中，利用碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池技術與玻璃結合制備的碲化鎘發電玻璃，其以柔、薄、輕、透的質地，以及弱光響應性強、高溫下相對性能好等優點，成為目前產業化成果最優和產業前景最好的薄膜太陽能電池。在降低建筑能耗及成本、減少二氧化碳排放、緩解建筑電力需求等方面具有顯著優勢。2019年，碲化鎘“發電玻璃”入選工信部頒布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》。長遠來看，碲化鎘薄膜發電玻璃的應用對于推動我國新材料、新能源、節能環保等戰略性產業進步具有重要意義，結合其自身特點及客觀需求，探究其如何在分布式電站、建筑光伏一體化、光伏水面電站等盡可能多的領域得到應用并發揮優勢是一個重要課題。

4.1碲化鎘薄膜發電玻璃的產品優勢

薄膜太陽能電池以銅銦鎵硒、碲化鎘、非晶硅薄膜太陽能電池為代表，特點是核心半導體材料具有很高的太陽光吸收率，因此消耗的材料較少，并且工藝較簡單。碲化鎘薄膜發電玻璃有如下特點：

1、溫度系數低

CdTe電池的溫度系數一般在-0.28%/℃以下，而晶硅主流產品的溫度系數一般在-0.34%/℃以上，在炎熱的夏季，太陽能電池工作溫度達60℃以上，碲化鎘薄膜發電玻璃比晶硅電池多10～12%，因此碲化鎘薄膜發電玻璃更適合安裝在炎熱、干燥的沙漠地帶。全年累積發電量比較，CdTe比晶硅多發電3～8%。

2、弱光效應好

碲化鎘薄膜發電玻璃具有良好的弱光效應，在陰天和早晚等弱光條件下也能發電。

3、光吸收能力強

碲化鎘的禁帶寬度一般為1.45eV，碲化鎘的光譜響應和太陽光譜非常匹配，可吸收95%以上的陽光。

4、抗遮擋能力強

太陽能電池必須在產品內部進行串聯才能實現電壓的提升，從而實現電能的有效輸出。但是串聯結構會因為局部的遮擋造成遮擋區域無有效發電，從而降低整個串聯結構上的功率，遮擋面積過大時甚至無功率輸出。CdTe電池的抗遮擋性能優于晶硅，原因有：（1）電池內聯結構優于晶體硅。晶硅是單片硅片串聯，小面積遮擋就容易導致整串失效，而CdTe電池內部既有串聯也有并聯，小面積遮擋很難引起整個子電池失效，整個組件和組串不容易失效。（2）電池一致性優于晶體硅。CdTe是一次性成膜，在整個組件上膜層質量均勻性遠優于晶體硅電池片與片之間的均勻性，串聯的短板效應非常小。（3）電流密度低于晶硅。碲化鎘發電玻璃的電流密度比晶硅小得多，陰影遮擋后電流、電壓的下降比例比晶硅小，且遮擋處的發熱量遠小于晶硅，不會像晶硅一樣因為熱斑效應形成隱裂，甚至導致組件破裂或起火。因此在有少量遮擋情況下，發電玻璃的安全性和發電量都是遠高于晶體硅的，更適宜應用在復雜環境。如圖2所示，根據中國建材集團實驗數據，在5%-50%遮擋面積范圍內，碲化鎘發電玻璃發電量要優于晶硅電池;當遮擋9%時，晶硅已無法發電，而碲化鎘發電玻璃依然有37%的功率輸出。

5、抗潮濕、抗PID性能強

PID效應現象最容易在潮濕的條件下發生，且其活躍程度與潮濕程度相關，同時組件表面被導電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的污染程度，也會造成組件效率衰減現象。而碲化鎘薄膜發電玻璃為標準雙玻組件，有效避免了傳統組件有機復合材料背板易受自然環境因子的侵蝕的特性，且玻璃本身硬度高，抗風沙、抗酸堿等性能優越;同時利用PVB、丁基膠等有機材料進行層壓封裝，有效避免水汽侵擾，基本接近零透水率;無鋁邊框、耐腐蝕等特點也有效避免了電勢誘導衰減，使雙玻組件更適用于光伏水面電站。

5、能源回收周期短

晶硅太陽能電池的能源回收期為3～4年，而碲化鎘薄膜發電玻璃為1～2年。

6、適用于光伏建筑一體化

由于碲化鎘薄膜發電玻璃具有外觀美觀、整體性好、輕量化等優點，除適用于大規模的地面電站外，還可使發電系統實用性與建筑物形態美實現完美結合，更適合于光伏建筑一體化的應用。

與晶硅太陽能電池相比，目前薄膜發電玻璃組件轉換效率略低，然而由于碲化鎘發電玻璃具有弱光效應好、溫度系數低等優點，在實際應用過程中系統轉換效率更高，優勢更加明顯。下表為碲化鎘薄膜發電玻璃與其它太陽能電池優勢對比表。

4.2碲化鎘發電玻璃的產能優勢

在國際市場方面，目前世界上最大規模量產碲化鎘薄膜發電玻璃的生產商是美國First Solar，目前產能達到8GW，實驗室轉化效率22.1%，最好的生產線可實現約18%的轉換效率，全年所有生產線上的平均轉換效率可達17.4%，制造成本約為0.44$/Wp。目前，First Solar的碲化鎘薄膜太陽能電池占據了美國地面大型電站的主要市場份額，并在印度、中東、歐盟等光伏應用重點區域繼續保持優勢地位。

在國內市場方面，目前我國能夠實現量產碲化鎘薄膜發電玻璃產品的企業主要有中國建材集團、龍焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司。龍焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司年產能分別為40MW及80MW，產品尺寸為1200 mm×600 mm，均有后期產線建設規劃。中國建材集團目前實驗室轉化效率達到20.24%，產品面積為1.92 ㎡，轉化效率為15.8%。該套生產技術已經在成都和邯鄲投產并分別達到100MW產能，同時在佳木斯、株洲、瑞昌、雅安、濮陽、定西等地擴建新產線。經過上述企業的積極研發布局，未來3～5年內將形成3～5GW產能，隨著核心技術工藝、核心原材料、產品成本、生產規模、產業鏈規劃等優勢的逐步建立，國內碲化鎘薄膜發電玻璃事業將迎來進一步高速發展，并為BIPV、分布式光伏地面、水面電站等提供強有力的支撐。[7]

5結語

光伏水面電站作為太陽能利用的有效形式，可以在高效利用水面資源的同時，極大地減少煤耗以及污染氣體的排放，促進碳達峰、碳中和愿景實現，其節能減排的力度和意義對于整個社會非常重大，是建設資源節約、環境友好社會的有效途徑。而碲化鎘薄膜發電玻璃固有的優異性能及其特有的雙玻結構，對光伏水面電站有著良好的適配性。將二者有機結合，探索并發展碲化鎘薄膜發電玻璃在光伏水面電站上的應用將有著廣闊的市場前景。

未來幾年進一步推進技術研發和產業化、不斷提升產業規模，形成規模效應，降低生產成本，將是我國碲化鎘薄膜發電玻璃產業發展的重點任務，也將是其在光伏水面電站方向應用的重要基礎。

參考文獻：

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[4]趙宇航. 爭奪水面光伏 [J]. 能源， 2016， 3.

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[6]蔡偉東，彭康. 關于大型水上光伏電站的技術探究 [J]. 現代信息科技， 2019， 3（18）.

[7]魏娜娜 秦 于. 國內外碲化鎘發電玻璃產業發展現狀分析 [J]. 玻璃， 2021， 7.