CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,带隙1.5eV,与太阳光谱非常匹配,最适合于光电能量转换,是一种良好的光伏材料,理论转换效率为28%,而且其性能很稳定,是一种非常有潜力的电池技术。
制备CdTe多晶薄膜的的工艺种类超过10种,但是经时间考验后能满足产业需要的目前只有两种:近空间升华(CSS)法和蒸汽输运(VTD)法。这种电池的实验室转换效率最高为16.5%,由NREL创造。20世纪90年代初,CdTe电池已实现了规模化生产,但市场发展缓慢,市场份额一直徘徊在1%左右。商业化电池转换效率平均为8%~10%。
CdTe薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。美国南佛罗里达大学于1993年用升华法在1cm2面积上做出了转换效率为15.8%的太阳电池,随后,日本Matsushita Battery报道了CdTe基电池,它是以CdTe作吸收层,CdS作窗口层的N-CdS/P-CdTe半导体异质结电池,其典型结构为MgF2/玻璃/SnO2:F/N-CdS/P-dTe/背电极,小面积电池最高转换效率为16%。近年来,太阳电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性。因此,以CdTe为代表的薄膜太阳电池备受关注,Siemens报道了面积为3600cm2电池的转换效率达到11.1%的消息。BpSolar的CdTe薄膜太阳电池面积为4540cm2的转换效率为8.4%;面积为706cm2的太阳电池转换效率达到10.1%。GoldanPhoton的CdTe太阳电池面积为3528cm2的转换效率为7.7%。详细情况见表4-7。
表4-7 大面积和小面积CdTe电池的历史转换效率
美国First Solar公司发展了高速气相输运沉积技术。制备的组件经NREL确认,转换效率达到10.2%(0.72m2)。2011年第1季度,该公司公布其单线产能达到64.1MW,组件转换效率达到11.7%,生产成本降至0.75美元/W,继续保持最低太阳电池组件制造成本的世界纪录。该公司在美国、德国、马来西亚均建设了工厂。2010年其产能为1.5GW,实际产量1.41GW。该公司计划在越南、美国等地新建工厂,扩建现在的24条生产线,使之在2012年达到36条,继续提高组件转换效率,产能达到2.8GW。需要特别说明的是,First Solar采用的是干法沉积CdS的技术。
美国Abound Solar公司发展了以近空间升华技术沉积硫化镉、碲化镉多晶薄膜的全干法生产线。目前达到了200MW的产能。德国Calyxo使用常压气相沉积技术制备碲化镉薄膜,所制备的组件转换效率最高仅达到6.5%。美国可再生能源国家实验室的一些专家于2007年组建了Prime Star Solar公司,采用实验室世界纪录保持者吴选之发展的技术路线建立中试生产线;后被美国通用电气公司收购,2011年计划建立产能为400MW的生产线。德国的ANTEC公司有8MW的自动化生产线,生产1.2×0.6m2的碲化镉电池组件,最高转换效率为7.03%,平均转换效率略高于6%。意大利的Arendi SWL公司所建的生产线使用意大利帕尔玛大学的技术,计划实现15MW生产线建设。
各主要公司的技术特征、技术来源及2008年、2009年产能见表4-8。(www.daowen.com)
表4-8 各主要公司的技术特征、技术来源及2008年、2009年产能
除了上述公司之外,在美国有南佛罗里达大学、NREL、特拉华大学等十余家大学进行小面积碲化镉薄膜太阳电池的研究;欧洲还有西班牙CIEMAT公司、瑞士ETH大学、比利时Gent大学、德国ISFH公司、意大利帕尔玛大学、英国Loughborough大学、瑞士Solaronix公司、德国Dieter Bonnet中心、德国达姆斯塔德技术大学、英国巴示大学、意大利Verona大学等在进行小面积碲化镉太阳电池的研究。其中,NREL以近空间升华沉积技术制备的器件,创造了16.5%转换效率记录并保持至今;欧洲,意大利帕尔玛大学报道了以近空间升华技术制备的器件,转换效率达到15.8%。
我国较早就开展了碲化镉薄膜太阳电池及材料的研究与开发。“九五”规划之前的单位研发单位有中科院长春应化所、云南师范大学、内蒙古大学等,“九五”规划之后的研发单位有中四川大学、新疆大学等。近两年来,由于碲化镉薄膜太阳电池技术的迅速发展,特别是First Solar的成功所展现的碲化镉薄膜太阳电池的巨大前景,使更多的科研院所投入到了碲化镉太阳电池的研究中,如中国科学技术大学、西安交通大学、中科院上海技物所等。为了使碲化镉薄膜太阳电池产业化,我国也成立了一些新企业,如四川尚德、杭州龙焱、山东润峰、成都中电阿波罗等公司。
四川大学在“十五”863项目的支持下,使用廉价材料和廉价方法,获得了小面积电池13.38%的国家纪录,并以此为基础,建立了年产能0.3MW的生产线并发展了30cm×40cm组件制备技术,组件转换效率达到8.25%。目前,在“十一五”863项目的支持下,四川大学与无锡尚德太阳能电力有限公司合作建设年产能2~5MW的生产线,预期转换效率将达到9%以上,成本低于8元/Wp。浙江龙焱能源科技杭州有限公司由美籍专家吴选之创办,采用自己的技术正在建设30cm×30cm的组件试验生产线。
山东润峰新能源有限公司拟投资1.2亿,计划通过自己研发建设25MW的碲化镉薄膜太阳电池生产线;成都中光电阿波罗太阳能有限公司宣称:已经安装调试完毕一条(以磁控溅射为核心技术)5MW碲化镉太阳电池生产线,并打算从德国引进生产线。这两家公司虽然缺乏技术来源和研发实力,但对获得碲化镉薄膜太阳电池技术怀有极大的兴趣。
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