国内外碲化镉发电玻璃产业发展现状分析

秦子川 于萍 魏娜娜

（建筑材料工业技术情报研究所 北京 100024）

0 引言

近年来，随着太阳能发电等新兴技术的不断成熟与进步，如何将其与大面积的玻璃立面、门窗相结合，使建筑玻璃也能够产能发电，实现建筑光伏一体化（Building Integrated Photovoltaic-BIPV）成为了国内外科研机构、高校以及企业研究与产品开发的热点。其中，利用碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池技术与玻璃结合制成的“发电玻璃”最具竞争力和发展潜力，且已在国内外多个建筑项目得到应用，在降低建筑能耗及成本、减少二氧化碳排放、缓解建筑电力需求等方面具有显著优势。2019年，碲化镉“发电玻璃”入选工信部颁布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》。从中长期来看，该类型产品的应用对于推动我国新材料、新能源、节能环保等战略性产业进步、促进建筑节能产业更高水平发展也有着重要意义。

1 碲化镉太阳能电池的组成

与其他太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单，一般而言，其由五层结构组成，即玻璃衬底、透明导电氧化层（TCO层）、硫化镉（CdS）窗口层、碲化镉（CdTe）吸收层、背接触层和背电极，如图1所示［1］。

图1 碲化镉薄膜太阳能电池结构示意

2 碲化镉太阳能电池的性能优势

碲化镉薄膜太阳能电池主要有以下几方面特点及优势。

（1）制造成本低

与其他太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池具有较低的制造成本，这主要是由其电池结构、原材料及制造工艺等方面决定的。首先，碲化镉薄膜太阳能电池的简单结构大大缩短了生产时间，使制造成本明显下降。据相关企业数据显示，碲化镉薄膜太阳能电池组件（从玻璃衬底的安装到电池组件出货）的全流程生产时间小于2.5 h。其次，碲化镉的吸收系数在可见光范围高达105cm-1（高于硅材料100倍），太阳光中有99%的能量高于碲化镉禁带宽度的光子可在2 mm厚的吸收层内被吸收，因此碲化镉薄膜太阳能电池理论上吸收层厚度在几个微米左右，原材料消耗极少，因而碲化镉电池制造成本较低。最后，碲化镉属于简单的二元化合物系统，容易生产单相材料，制备方法容易实施，有效降低了制造成本。目前已有10种以上的技术可制备转换效率10%以上的碲化镉小面积电池，其中已有5种技术用于产业化生产。特别是近距离升华（CSS）和气相输运沉积（VTD）技术，具备沉积速率高（3～10 mm/min）、膜质好、晶粒大、原材料利用率高（>85%）等优点，特别适合大规模生产。

（2）转换效率高

与晶硅、砷化镓等其他类型的太阳能电池相比，碲化镉薄膜太阳能电池具有最高的理论光电转换效率，约为30%。从实验室转换效率看，碲化镉薄膜电池的实验室转换效率已经不断接近晶体硅太阳能电池。从商业化产品转换效率看，在各类薄膜太阳能电池中，量产碲化镉薄膜电池的最高转换效率仅次于铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池。

（3）温度系数低

温度系数（Temperature Coefficient）是指太阳能电池组件输出功率随着工作温度的升高而变化的速率。一般而言，晶体硅太阳能电池组件的温度系数为-0.45%/℃～-0.50%/℃，即组件温度每升高1℃，太阳能电池组件的输出功率降低0.45%～0.50%。而碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.25%/℃，比晶体硅太阳能电池低一半左右，所以更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。较低的温度系数意味着碲化镉薄膜电池组件的输出功率更不易受气温影响，也就代表着碲化镉薄膜电池在更高的温度下能提供更多的能量。

（4）弱光效应好

碲化镉薄膜电池的弱光效应是其较于晶硅电池的另一大显著优势。由于碲化镉薄膜电池的光谱响应范围较宽，因此对弱光的敏感度高，具有较好的弱光效应，使其无论在清晨、傍晚，还是阴云雨天等弱光环境下都能发电。因此，碲化镉薄膜电池每天具有比晶硅电池长得多的发电时间，其实际发电量要高于晶硅电池，这就补足了其发光效率相对较低的不足。

（5）环境友好

大量的研究表明，碲化镉薄膜电池组件是环保友好的产品。碲化镉不同于有毒元素镉（Cd），是稳定的化合物，能被安全使用。碲化镉薄膜组件中碲化镉用量很小，1 MW碲化镉组件仅需约250 kg的碲化镉。碲化镉被密封在两块玻璃之间，常温下没有镉的释放。即使在1100 ℃的高温下，根据美国Brookhaven国家实验室（BNL）报告，99.96%的碲化镉都被熔化的两块玻璃封住而没有泄露。比较其他几种太阳能电池及其他能源，在碲化镉太阳能电池组件制备和使用全寿命周期内，总的镉排放量为最低［2］。

3 碲化镉薄膜太阳能电池的国内外产业现状

3.1 国外现状

图2 2014—2019年全球碲化镉薄膜太阳能电池组件产量

从产品产量占比角度看，2019年全球薄膜类太阳能电池产品产量占据所有类型太阳能电池总产量的4.63%，其中，碲化镉薄膜太阳能电池产量又占据了薄膜类太阳能电池总产量的85.50%。说明目前晶硅太阳能电池仍占据市场主导地位，但碲化镉在薄膜类太阳能电池领域的主导地位同样明显，如图3和图4所示。

近十多年来，碲化镉薄膜太阳能电池已实现了由实验室研究走向规模化工业生产和商业化应用的道路。2014—2019年全球碲化镉薄膜太阳能电池组件产量如图2所示。

图3 2019年全球各类太阳能电池产量细分产品占比

图4 2019年全球薄膜类太阳能电池产量细分产品占比

从国外生产企业来看，由于技术和资金壁垒极高，目前全球能够量产碲化镉薄膜太阳能电池的企业屈指可数，行业竞争格局十分清晰。目前从事或之前从事生产的企业主要有美国FirstSolar［3］、ToledoSolar、 Reel Solar、 AboundSolar（ 原AVASolar）、通用电气公司，德国AntecSolar、Calyxo、CTFSolar，意大利ARENDI公司等。国外主要碲化镉薄膜太阳能电池生产企业现状见表1。

表1 国外主要碲化镉薄膜太阳能电池生产企业现状

如表1所示，目前全球能够大规模量产碲化镉薄膜太阳能电池的国外企业仅有美国FirstSolar一家，能够稳定量产的有美国ToledoSolar和德国Calyxo两家，但产能产量与FirstSolar相去甚远。由于ToledoSolar公司 2020年才刚刚成立投产，在近期发展中无论是在技术、资金还是市场占有率上都远难以撼动FirstSolar的龙头地位。Calyxo公司在2018年也申请破产，但因被TS Group收购撤回了该申请，产品性能也与上述两家企业也存在一定差距。FirstSolar目前订单已排到2021年上半年度，订单总量已超过其年产能上限，可以看出碲化镉薄膜太阳能电池的市场需求依然强劲。未来，随着技术的发展以及市场认可度的不断提升，或将会有更多新企业进入该领域。

3.2 国内现状

目前我国能够实现量产碲化镉薄膜太阳能电池产品的企业主要有龙焱能源科技（杭州）有限公司、凯盛集团和中山瑞科新能源有限公司。

（1）龙焱能源科技（杭州）有限公司

龙焱能源科技（杭州）有限公司（下称龙焱）成立于2008年，创始人是前美国可再生能源实验室（NREL）的国人科学家吴选之教授，他于2001年创造了碲化镉电池转换效率16.7%的纪录并保持了10年之久。公司成立后就一直致力于碲化镉薄膜太阳能电池的产业化。2011年9月，龙焱建成拥有完全自主知识产权的25 MW全自动碲化镉薄膜太阳能电池组件生产线。2013年，龙焱的1200 mm×600 mm组件达到了12.05%的转换效率，开始实现产品市场化。2019年9月，龙焱与山西阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司等合资的阳泰龙焱首条40 MW碲化镉薄膜太阳能电池投产，该项目为一期项目，二期项目预计2020年12月建成投产，建成后将达到共计80 MW的年产能。2020年4月，根据浙江湖州长兴县人民政府公示，龙焱将与浙能集团合资在该地区新建三条共计年产能360 MW的碲化镉薄膜太阳能电池生产线，此次新建的一期项目为年产能120 MW的生产线。

产品：包括标准组件S1、S2、S4等系列，产品尺寸为1200 mm×600 mm，功率85～110 W。还包括可应用于建筑的中空夹胶组件、大面积透光组件、彩色透光组件等，能够更好地应用于建筑玻璃发电。

（2）凯盛集团

成都中建材光电材料有限公司（下称成都中光电）隶属凯盛集团，前身为成都中光电阿波罗太阳能有限公司，成立于2009年，2013年完成现有名称变更，致力于碲化镉发电玻璃的研发与产业化。2009年，成都中光电阿波罗建成国内第一条5 MW碲化镉薄膜太阳能电池试验线，但该线并不成熟，生产效果不佳。为弥补技术不足，2011年，凯盛所属的中建材集团收购德国CTFSolar公司，其主要技术团队来自拥有碲化镉工艺原创技术的德国AntecSolar公司。2017年10月，成都中光电建成第一条拥有自主知识产权工业4.0的大面积碲化镉薄膜太阳能电池示范生产线，年产能100 MW，于2018年1月正式投产，获得了极佳的社会反响。

此后，凯盛集团碲化镉电池项目在全国开始大规模扩张。2017年12月8日，凯盛集团山东泰州碲化镉薄膜太阳能电池项目开工，总规划年产能1 GW，在建一期项目200 MW；同年12月28日，河北邯郸项目开工，年产能300 MW。2019年10月8日，凯盛集团黑龙江佳木斯碲化镉薄膜太阳能电池项目开工，年产能100 MW；同年10月28日，湖北株洲项目开工，总规划年产能1 GW，在建一期项目300 MW；12月26日，四川雅安项目开工，总规划年产能600 MW，在建一期项目300 MW。2020年4月2日，凯盛集团山东青岛项目签约，总规划年产能600 MW，在建一期项目300 MW；同年4月10日，安徽蚌埠项目签约，总规划年产能600 MW，在建一期项目300 MW。据悉，未来三年凯盛集团总规划产能共计将达5 GW。据以上公开信息统计，目前已规划产能3.8 GW，在建产能1.8 GW，在产产能100 MW。

产品：尺寸为1200 mm×1600 mm，功率250 W，目前已成功应用于国内外多个项目。

（3）中山瑞科新能源有限公司

中山瑞科新能源有限公司（下称瑞科）成立于2015年，由明阳智慧能源集团股份公司投资控股。2018年6月，该公司首条100 MW生产线在广东中山投产。2020年3月，瑞科加大在中山投资规模，规划新建5条年产能共计1 GW的生产线。

产品：尺寸为1200 mm×600 mm，功率105～115 W。还包括可应用于建筑的中空组件、大面积透光组件、彩色透光组件等，能够更好地应用于建筑玻璃发电。

表2为我国企业产品与FirstSolar产品性能对比。

表2 我国企业产品与FirstSolar产品性能对比

4 结语

从产业角度来说，国外FirstSolar公司以及国内龙焱能源、凯盛集团和中山瑞科为代表的企业均在不同程度的扩大产能，抢占市场先机。目前，碲化镉薄膜太阳能电池行业不论是在产品技术、产能规模还是市场份额方面，FirstSolar依然是全球最领先的企业，且优势明显。但未来五至十年，随着我国企业技术的进步和新建产线的不断投产运营，全球碲化镉薄膜太阳能电池产业将打破FirstSolar一家独大的现状，形成我国企业与其分庭抗礼的新局面。

从应用角度来说，除光伏电站外，光伏建筑一体化（BIPV）是未来最主要的应用领域。碲化镉代表的薄膜电池明显更适应BIPV市场的需求，凭借先进的技术，BIPV可以完美地融入建筑外壳中，并充分参与建筑表达，具有建筑节能、造能以及美学的所有特征。此外，在汽车、电子设备等领域，碲化镉薄膜太阳能电池也同样具有巨大的应用潜力。