CdTe薄膜太陽電池及組件的產業化進展與應用方向分析

錢 雙，殷新建，陳 瑛，宋杰林

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

0 引言

為應對氣候變化，實現能源可持續發展，全球各國相繼制定碳達峰、碳中和目標(下文簡稱為“‘雙碳’目標”)，大力推動清潔能源的發展。太陽能作為一次能源，是清潔能源中最重要的可持續的綠色能源。太陽輻射經過遠距離的傳輸、大氣層的反射和吸收，每秒到達地球表面的總功率約為8.5×1016W[1]，而這一輻射能量遠大于目前全球每秒能源消耗總量。因此，如何充分有效利用太陽能對解決能源危機、環境污染及實現“雙碳”目標具有重要意義。

光伏發電是通過光生伏特效應直接把光能轉化成電能的技術，而太陽電池是最典型的利用太陽能的裝置之一。晶體硅太陽電池是第1代太陽電池，最早進行研究，目前在全球光伏市場中占主導地位，但其理論研究和產業化發展已到達瓶頸期。

碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池是目前為止商業化最成功的第2代太陽電池，市場份額僅次于晶體硅太陽電池，具有巨大的產業化潛力。本文對CdTe薄膜太陽電池的理論研究和產業化的進展與展望進行重點闡述，概括了此類太陽電池未來的研究重點，并對CdTe薄膜光伏組件在“雙碳”目標下的應用情況進行分析探討。

1 CdTe薄膜太陽電池理論研究進展及展望

CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物，屬于直接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為1.45 eV。在標準狀態(AM1.5)下其與太陽光譜非常匹配，可見光范圍內的吸收系數可達到104cm-1以上，該值為單晶硅的100倍；僅1 μm厚的CdTe就可以吸收99%以上的波長小于826 nm的可見光[2]，是制作薄膜太陽電池的最理想材料。

常見的CdTe薄膜太陽電池為上襯底結構，其結構示意圖如圖1所示。圖中：TCO層為透明導電氧化物層。

圖1 CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of CdTe thin film solar cell

CdTe薄膜太陽電池自上而下的結構層依次為TCO層/窗口層/CdTe吸收層/背電極緩沖層/金屬電極層。其中，TCO層主要起到允許可見光透過并導電的作用；窗口層主要與p型CdTe形成異質結，在光照條件下，產生光生伏特效應；CdTe吸收層作為整個太陽電池最核心的部分，主要是吸收可見光產生光生載流子并進行輸運；背電極緩沖層主要是降低CdTe和金屬背電極的接觸勢壘，減小歐姆接觸及背接觸處載流子的復合幾率；金屬電極層通常為金屬薄膜，主要作用是收集空穴，連接外電路。該結構中的每一層都在太陽電池光電轉換中發揮著重要作用。

對于CdTe薄膜太陽電池的研究至今已約有60年之久，美國國家可再生能源實驗室(NREL)給出的各時期CdTe薄膜太陽電池的實驗室最高光電轉換效率如圖2所示。

圖2 各時期CdTe薄膜太陽電池的實驗室最高光電轉換效率Fig. 2 The highest photoelectric conversion efficiency of CdTe thin film solar cells in the laboratory in various periods

從圖2可看出：截至2022年5月，CdTe薄膜太陽電池實驗室最高光電轉換效率為22.1%，該數據是由美國的First Solar公司于2016年發布。

以光電轉換效率Eta的變化來表征CdTe薄膜太陽電池的研究發展，其研究發展可以概括為4個階段，具體如圖3所示。

圖3 CdTe薄膜太陽電池研究發展階段示意圖Fig. 3 Schematic diagram of research and development stage of CdTe thin film solar cells

第1階段是在1980年之前，主要針對CdTe薄膜太陽電池的結構及制備方法開展了基礎理論研究。此類電池結構以同質結為研究開端，逐漸向異質結轉變。從20世紀60年代早期開始，異質結構就已得到更廣泛的研究，逐漸以CdS/CdTe薄膜太陽電池結構為主流方向，并在此后的50年里一直保持主導地位。這一階段確定了以近空間升華法(CSS)、氣相傳輸沉積(VTD)、電化學沉積、磁控濺射為代表的CdTe薄膜太陽電池制備方法。但該階段制得的CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率還較低，不超過10%[3]。

第2階段是在1980—2001年，CdTe薄膜太陽電池主要以n-CdS/p-CdTe異質結構為基礎，通過優化處理工藝、改善窗口層結構、降低歐姆接觸等措施來提高太陽電池的光電轉換效率，各方報道的此類太陽電池的光電轉換效率普遍在10%～16%之間。1982年美國Kodak公司的研究人員采用近空間升華法，通過控制膜層沉積溫度及氧含量，制備出光電轉換效率達10%的CdTe薄膜太陽電池；然后在1993年經過后續有效的CdCl2處理，并引進低電阻背接觸層，成功制得光電轉換效率為15.8%的CdTe薄膜太陽電池[4-5]，這也是報道的采用CdS/CdTe結構的光電轉換效率最高的CdTe薄膜太陽電池。2001年，吳選之課題組采用 CdSnO4/ZnSnO4透明電極取代ITO 作為窗口層，利用氣相CdCl2對CdTe/CdS膜進行處理，最終獲得了光電轉換效率為16.7%的CdTe薄膜太陽電池，這項紀錄保持了10年之久[6]。相較于第1階段，該階段CdTe薄膜太陽電池的結構已發生變化，具體如圖4所示。

圖4 第2階段CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of structure of CdTe thin film solar cell in the second stage

第3階段為2002—2020年，2011年美國First Solar公司發布了其光電轉換效率17.3%的CdTe薄膜太陽電池，打破了吳選之課題組的紀錄；此后，美國First Solar公司和美國通用公司以此追彼趕的方式9次刷新CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率的世界紀錄，直到2016年光電轉換效率值達到22.1%，截止至2022年5月仍為該值。這一階段不僅引入CdTe摻硒(Se)技術，改變窗口層禁帶寬度，利用帶隙更寬的緩沖層替代傳統的CdS緩沖層，還利用摻鎂氧化鋅(MZO)形成MZO/CdSe/CdSexTe1-x吸收層，提高長波段光子的吸收，快速有效地提高太陽電池的短路電流。此外，采用碲化鋅(ZnTe)背接觸層工藝有效解決了CdTe薄膜太陽電池的穩定性問題。第3階段CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖如圖5所示。

圖5 第3階段CdTe薄膜太陽電池的結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of structure of CdTe thin film solar cell in the third stage

CdTe薄膜直接與金屬接觸形成肖特基勢壘，這會產生較大的接觸電阻，影響CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率。高效的CdTe薄膜太陽電池都采用摻雜的石墨、ZnTe:Cu或 NiTe2作為背接觸層，然后再沉積金屬作為背電極，以此來提高光電轉換效率，但背接觸層中銅的存在極大影響了太陽電池的穩定性。所以，通過引入碲化鋅背接觸過渡層，既可以滿足銅的摻雜與釘扎，同時還可以優化CdTe和金屬背電極的界面工程，確保太陽電池的穩定性。

Alfadhili等[7]通過對比試驗進一步證明了以ZnTe作為CdTe薄膜太陽電池背接觸層，不僅能有效減小少數載流子的復合，而且可提高太陽電池的開路電壓，提升太陽電池的性能。Wolden等[8]通過采用高分辨率的微觀分析測試儀器，從微觀角度分析ZnTe在背接觸層中的作用機理，在理論層面驗證了ZnTe在提高太陽電池光電轉換效率中的重要作用。2018年Munshi等[9]使用氧化鋅(MZO)作為窗口層材料，通過優化CdSeTe化合物參數制備出光電轉換效率達19.1%的CdTe薄膜太陽電池。

第4階段的研究重點是圍繞如何提高CdTe薄膜太陽電池的開路電壓及穩定性展開，大致以2021年為起點[10-12]。經過前3個階段的發展，CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率已達22.1%，完全可媲美晶體硅太陽電池。由于CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率的最大理論值高達32%，仍有很大的提升空間，具有巨大的研究價值。目前CdTe薄膜太陽電池的短路電流已基本接近于最大理論值(30 mA/cm2)，但開路電壓的最高值為0.887 V，與最大理論值(1.2 V)相差較大，限制了太陽電池性能的提升。這是因為CdTe具有很強的自補償效應，很難進行有效的p型摻雜，加之其薄膜缺陷較多，嚴重影響載流子的輸運，降低了少數載流子壽命，導致部分開路電壓的損失。據相關報道[13-14]，單晶CdTe薄膜太陽電池經過V族摻雜后，開路電壓可以大于1 V?？屏_拉多大學和華盛頓大學研究人員以CdSeTe為吸收層基體進行砷(As)的摻雜試驗，結果表明：經過摻雜后，CdTe薄膜太陽電池的開路電壓相較于未摻雜時得到明顯提高[15]。此后CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率的提升將主要由開路電壓的顯著提升來實現。

CdTe較高的功函數也是限制CdTe薄膜太陽電池性能進一步提高的主要因素，所以普通金屬材料很難與其形成良好的歐姆接觸，從而導致背接觸肖特基勢壘的存在，嚴重影響太陽電池的性能。

因此，實現CdTe薄膜的有效p型摻雜、提高CdTe薄膜載流子壽命和制備歐姆接觸電極也是今后改善CdTe薄膜太陽電池性能的關鍵研究方向[16]。

2 CdTe薄膜太陽電池及組件產業化進展與展望

CdTe薄膜太陽電池工藝技術路線已完全產業化。近年來，全球CdTe薄膜太陽電池產能迅速擴張，從2014年的1.93 GW增至2020年的6.3 GW。由于CdTe薄膜太陽電池產業化技術壁壘高，投資大，呈現出競爭不充分的特點。全球CdTe薄膜太陽電池技術路線已完全產業化、規模化的兩大巨頭分別是美國First Solar公司和中國建材集團有限公司旗下的凱盛科技集團有限公司(下文簡稱為“凱盛科技集團”)。First Solar公司在全球為數不多的規?；aCdTe薄膜太陽電池的企業中占據龍頭地位，引領產業及技術發展方向。該公司成立于1999年，并于2006年在紐交所上市，其近10年來大面積CdTe薄膜光伏組件的最高光電轉換效率從2013年的16.1%增至2022年的19.5%。近年來，大面積CdTe薄膜光伏組件光電轉換效率的迅速提升及產能快速擴張，得益于S6型CdTe薄膜光伏組件(尺寸為1200 mm×2000 mm)的推出，預計2022年此類光伏組件的產能將提升至9.4 GW。

如今中國產業化生產CdTe薄膜光伏組件的企業共有3家，分別是凱盛科技集團、龍焱能源科技(杭州)有限公司(下文簡稱為“龍焱能源科技”)及中山瑞科新能源有限公司(下文簡稱為“中山瑞科”)。各企業的產業化情況如表1所示。

表1 中國CdTe薄膜光伏組件生產企業的產業化情況Table 1 Industrialization of manufactures of CdTe thin film PV modules in China

凱盛科技集團結合自身玻璃新材料的研發優勢，在中國工程院院士、中國建材集團有限公司總工程師彭壽的帶領下，整合全球范圍內各方資源，鎖定光伏材料戰略目標后，開啟了CdTe薄膜太陽電池及組件的研究與產業化之路。2012年，凱盛科技集團全資收購了由擁有“碲化鎘之父”之稱的Bonnet博士和著名碲化鎘專家Harr博士等組成的德國研發機構，梳理核心技術團隊后，成立CTFSolar公司，承擔起了中國CdTe薄膜光伏組件產業化推廣與發展的重任。

凱盛科技集團首條采用CSS法沉積鍍膜工藝的CdTe薄膜光伏組件生產線于2017年在其成都基地成功生產出世界上面積最大的CdTe薄膜光伏組件，達1.92 m2，開創了大面積CdTe薄膜光伏組件的先例。該集團在成都基地的生產線成功量產達標之后，相繼在邯鄲市、佳木斯市、株洲市、瑞昌市、雅安市、濮陽市、定西市等地迅速布局，建設新的生產線。凱盛科技集團在各地的CdTe薄膜光伏組件產能布局如表2所示。截至2022年5月，CdTe薄膜光伏組件總規劃產能為300 MW 的邯鄲基地進展最快，一期100 MW項目也已完成首批產品，已實現量產；其他基地也在緊張有序地建設與調試中。預計2025年，凱盛科技集團的總規劃產能將達到5 GW，成為國內最大規模的CdTe薄膜光伏組件生產商。

表2 凱盛科技集團在各地的CdTe薄膜光伏組件產能布局Table 2 Triumph Technology Group’s capacity layout of CdTe thin film PV modules in various regions

龍焱能源科技是率先打破國外壟斷，在國內實現自主研發并成功實現CdTe薄膜光伏組件產業化的企業。該公司創始人吳選之教授是曾就職于美國可再生能源實驗室的科學家，是CdTe薄膜太陽電池領域的領軍人物之一。龍焱能源科技CdTe薄膜光伏組件采用的是VTD鍍膜工藝，光伏組件尺寸為1200 mm×600 mm，面積為0.72 m2，全面積光伏組件的最高光電轉換效率達16%。龍焱能源科技目前有3條生產線，包括1條最早由20 MW升級而成的40 MW的生產線及兩條分別在2019及2020投產的40 MW生產線，并計劃投資建設第4條生產線，將現有的光伏組件尺寸由1200 mm×600 mm升級成1200 mm×1800 mm。預計2025年，龍焱能源科技的總體產能將達400 MW。

中山瑞科成立于2015年，其CdTe薄膜光伏組件生產線采用VTD鍍膜工藝，光伏組件尺寸為1200 mm×600 mm，面積為0.72 m2，全面積光伏組件的最高光電轉換效率為16%。中山瑞科擁有的一條100 MW的CdTe薄膜光伏組件生產線于2018年6月投產。

綜上所述可知，全球CdTe薄膜光伏組件產業化規模呈現出兩級分化的特點，美國的First Solar公司和中國的中建材集團已經掌握了成熟的生產制造技術，正在迅速擴大生產規模，降低生產成本，搶占市場份額，其他企業的規劃或在產產能仍然徘徊在兆瓦級。First Solar公司在產業規模、技術實力、產品市場化能力及影響力方面均占據主導地位。雖然中國的3家企業目前在運行的生產線規模均不能達到吉瓦規模，但凱盛科技集團的規劃及在建生產線規模最有望快速追趕上First Solar公司，成為國內規模最大的CdTe薄膜光伏組件生產商。

除常規的CdTe薄膜光伏組件外，國內生產商都開發出了適合自己產品特點的具有彩色、透光、復合保溫等優勢的CdTe薄膜光伏組件，以適應國內建筑市場不同使用場景的需求。凱盛科技集團生產的CdTe薄膜光伏組件尺寸為1200 mm×1600 mm，面積為1.92 m2，是另外兩家的2.5倍。CdTe薄膜光伏組件尺寸大型化是發展趨勢之一，更適應BIPV產品市場化應用要求，特別是建筑物外墻和幕墻市場的要求。

CdTe薄膜太陽電池及組件的產業化，不但要考慮制造成本，還要考慮批量生產時的質量和技術水平的穩定性，也意味著這需要綜合能力，涉及到裝備、工藝、材料、管理、市場等諸多配套因素，是一個系統工程，且各因素的平衡具有挑戰性，可以參考成熟的晶體硅太陽電池及組件發展經驗?？v觀晶體硅太陽電池及組件的發展歷程，不難發現，各家晶體硅太陽電池及組件生產企業研發技術均為公開競爭，上下游產業鏈充分參與，激發出無盡的創造力與創新性。國內CdTe薄膜太陽電池及組件的產業化爆發需要培育良好的產業化生態圈，為產業化發展提供既有質量保證又有合適價格的支撐；需要更多企業的參與，從設備、材料、工藝技術等各制備環節形成合力，加強交流合作，加強信息共享，百花齊放，百花爭鳴，共同促進CdTe薄膜太陽電池及組件產業技術快速發展，推進此類太陽電池及組件的市場化應用。CdTe薄膜光伏組件的單位成本遠高于普通建筑材料的，因此，降低產品成本是當前各生產商迫切需要解決的問題。擴大生產規模，攤薄折舊和生產成本將是CdTe薄膜光伏組件市場化應用推廣的必由之路。

3 CdTe薄膜光伏組件的市場應用探討

CdTe薄膜光伏組件的應用主要包括光伏電站及與建筑結合的BIPV或BAPV形式。First Solar公司的CdTe薄膜光伏組件性能優異，媲美晶體硅光伏組件，產品應用主要是搶占大型光伏電站市場。與First Solar公司的產品銷售市場不同，國內的CdTe薄膜光伏組件在國內環境、政策及市場的各項驅動下，發展成可發電的建筑材料，廣泛應用在BIPV/BAPV領域[17]。這主要源于CdTe薄膜光伏組件不僅具有優異的弱光性能和溫度系數，而且其良好的透光性能也能適配多種建筑的應用需求。

根據中國建筑科學研究院的數據推測及行業網站的統計數據，截至2022年5月，中國既有建筑面積已超過600億m2，如果按照1:20的安裝比例計算，可安裝至少30億m2的光伏組件；每年新增建筑面積為20億m2，可安裝近1.5億m2的光伏組件。巨大的市場潛力極大激發了國內BIPV和BAPV形式快速演變，以求更快搶占先機。

自“十四五”開始，國家推出了包括“整縣推進”在內的一系列分布式光伏發電項目建設政策，爭取早日實現“雙碳”目標。2022年4月1日住建部發布的GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》要求新建建筑應安裝光伏發電系統，這為光伏組件在建筑領域的應用保駕護航。

在國家政策與市場價格的雙重驅動下，BIPV和BAPV市場前景可期。但是，目前推廣更多的是BAPV，其成本低，安裝簡單，要真正做到大面積推廣BIPV，仍然有很長的路要走。以光伏電站應用為主，BIPV/BAPV為輔的市場應用將是最能帶動CdTe薄膜光伏組件發展的最快道路。

4 結論

本文對CdTe薄膜太陽電池的理論研究和產業化的進展與展望進行了重點闡述，概括了此類太陽電池未來的研究重點，并對此類光伏組件在“雙碳”目標下的應用情況進行了分析探討。結果顯示：

1)經過幾十年的發展，截至2022年5月，CdTe薄膜太陽電池實驗室最高光電轉換效率仍為2016年得到的22.1%，與其理論最大光電轉換效率(32%)相比還有很大的突破空間。

2)未來CdTe薄膜太陽電池性能提升的關鍵將是進行有效p型摻雜、提高CdTe薄膜載流子壽命、通過制備歐姆接觸電極提高開路電壓，從而改善CdTe薄膜太陽電池的性能。

3)從技術、規模、市場應用等諸多因素考慮，美國First Solar公司在CdTe薄膜光伏組件產業化方面獨占鰲頭，而中國中建材集團有限公司旗下的凱盛科技集團有限公司最有望成為中國最大的CdTe薄膜光伏組件生產企業。國內的CdTe薄膜太陽電池及組件的產業化還需要產業鏈上下游各方加強合作交流，信息共享，這不僅是CdTe薄膜太陽電池及組件快速發展壯大的關鍵，也是其市場化應用推廣的加速器。

4) CdTe薄膜光伏組件各項性能優異，在政策與市場的雙重驅動下，其不僅適用于光伏電站，更是因其自身獨特的優勢拓展到在建筑領域的應用(BIPV/BAPV)，從而促進“雙碳”目標的實現。