本文根据刘向鑫博士在【zài】9-21举行的“碲【dì】化镉全球峰会暨第【dì】四届碲【dì】化【huà】镉【gé】材料与太阳能电池技术国际研讨会”上的演讲整理而成。
演讲人：刘【liú】向鑫 中国科【kē】学院电工研【yán】究所【suǒ】研究员，博士，博导，“百人【rén】计划”学者，薄膜【mó】太阳电池【chí】研究组组长
整理人：王凯强 能见研究员
这篇文章将解答三个问题：
一是光伏产业产能到底有没有过剩?
二是光伏能不能做的更便宜?能不能满足我国电力的需求?
三是未来哪一种光伏技术有可能会胜出?
一到2035年我国光伏还有10倍的需求增量
国【guó】家能【néng】源局“全民光伏计【jì】划”对【duì】十九大【dà】报告做了要点摘要：到2035年要基本实现【xiàn】社会主【zhǔ】义现代化【huà】，而现代化和用电水平直接【jiē】相【xiàng】关【guān】。生态环境【jìng】根本好转、美丽中国基本实现，要实现环【huán】境友好【hǎo】的现代化。推【tuī】进能源生产和消费革命，构建清洁【jié】低【dī】碳安全高【gāo】效的能源体系，发【fā】展【zhǎn】新能【néng】源将是愿景中的【de】重要部分。
2016年我国全社会发电量约6万亿度，如果全部使用光伏发电，相【xiàng】当于需要【yào】安装3.9-21.6TW光伏。为了形象的说明【míng】，在我国【guó】地图上【shàng】标出三个方块，这三个【gè】方块中任何一【yī】个地方铺满效率为15%的太阳能电池【chí】板，都可以满足我国【guó】2016年全社会用【yòng】电量。以北京、天【tiān】津【jīn】、华北平【píng】原一带为例，只要将效【xiào】率为15%的太阳能【néng】电池板铺满边长210公里的一【yī】个正方形区域【yù】就【jiù】可以满足全【quán】国2016年用电需求。虽然【rán】光【guāng】伏能【néng】量可以【yǐ】供应的总【zǒng】量巨大【dà】，但是短期内不可能【néng】所有的用【yòng】电都来【lái】自光伏，应该尽量争取【qǔ】能源结构【gòu】多元化【huà】，光伏和其【qí】他清洁能源【yuán】在我国能源结构中占到比较显著比重【chóng】即可。
为什么【me】社会【huì】现【xiàn】代化程度和光伏【fú】有关系?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》这【zhè】本书给出了联合国【guó】公布的国家人类发展指数与国【guó】家人均用【yòng】电量分布图。纵轴【zhóu】是人类【lèi】发展指数，用比较【jiào】好理解【jiě】的意思是一个国家生【shēng】活的幸福程【chéng】度，横【héng】轴是人【rén】均全社会【huì】用【yòng】电量。
以美国俄亥【hài】俄州一【yī】家三层楼【lóu】普通别墅为【wéi】实【shí】例，朝南的【de】屋顶3/5面积【jī】装【zhuāng】了二手碲化镉太阳能电池板，2006年安装【zhuāng】时效【xiào】率只有9%;整栋房【fáng】子装了两块电表，分别记【jì】录电网输入电【diàn】量和光伏发电卖出【chū】的【de】电量，两块【kuài】电【diàn】表年【nián】总【zǒng】电量可以持平，即净用【yòng】电量【liàng】是0。这意味着4.3KW光伏【fú】发电量可以满足【zú】这家美国家庭整栋房子全年的【de】用【yòng】电【diàn】量【liàng】，包括空调、热水以及生活【huó】所有方面，同时还【hái】包括每天40分钟电动车的通勤【qín】。4.3KW足够一个标准美国家庭自发自用，如【rú】果按7元【yuán】/W的系统成本仅需要3万元，所【suǒ】以对于家【jiā】庭【tíng】而言【yán】安装光伏发电的成本其【qí】实并不大。
现在我国人均全社【shè】会年用电量水平约【yuē】4000-5000度，如果要【yào】基本实现现代【dài】化，用电水平应该达到【dào】9000度【dù】水平，从4000-5000度到【dào】9000度，增【zēng】量是4000-5000度。通过测算【suàn】，1W的光伏【fú】电池板【bǎn】一年在我国东部平【píng】均发电【diàn】量是1度【dù】;如【rú】果到2035年增加一【yī】倍【bèi】的全国用电量，光【guāng】伏【fú】累计安装量只需要占到其【qí】增量中的1/4到1/5，就可以增加每人每年1000度【dù】的光伏发电量，相当于1300GW到1500GW的总增量，基本上符合我国【guó】能源局规【guī】划的2035年【nián】人均1000W光【guāng】伏的【de】设定【dìng】。
这【zhè】说明【míng】“全【quán】民光伏【fú】计划”提出2035年每人1000W光伏装机量【liàng】不是奇思妙想，但是对于光伏行【háng】业来说这将【jiāng】是一个巨大【dà】的市场，依据【jù】这个【gè】规【guī】划将从现【xiàn】在的总安装量【liàng】130GW还要再【zài】增加一个数量级(10倍)。
二为什么说碲化镉适合大规模应用
如【rú】果【guǒ】要【yào】支撑【chēng】我国如此【cǐ】大的【de】用电发展需求，光伏必须【xū】要便宜。技术路线【xiàn】要【yào】做到三个基础要求——成【chéng】本足够低、转换效率足够高、寿命足【zú】够长。
晶体硅技术已经可以做【zuò】得到这【zhè】三【sān】点，所以成为了【le】主【zhǔ】流的技【jì】术。碲化镉这三方面都不【bú】是问题，并且具备了很【hěn】多【duō】优势。
在产业化方面【miàn】，传统碲化镉薄膜【mó】太阳【yáng】能电池组件尺寸【cùn】是1.2米×0.6米，从【cóng】去年开始FirstSolar发布第六代【dài】、功率达到【dào】420W的以上组件产品，尺寸【cùn】达到1.2米×2.0米，全面积效率可以达【dá】到18%，与市【shì】面上第一梯队晶硅组件【jiàn】相当【dāng】。
为什么要走大面积的路线?碲【dì】化镉【gé】薄膜【mó】和【hé】晶硅组【zǔ】件不同，碲化【huà】镉【gé】薄【báo】膜电池工艺类似半导体【tǐ】薄膜光电器件工艺的【de】流程，和液【yè】晶面【miàn】板产业类似。设备的折旧【jiù】成本随尺寸增加呈【chéng】现【xiàn】下降的逼近曲【qǔ】线关系，现在以碲【dì】化【huà】镉为【wéi】代表【biǎo】的薄膜组件尺寸越来越大，目的就是为了降低设备摊【tān】销的成本。
新一代碲化【huà】镉组【zǔ】件尺寸比晶硅【guī】72片组【zǔ】件略大，应用中可节省系统【tǒng】成【chéng】本和【hé】安装成本【běn】。已经有不【bú】同厂家开【kāi】始筹划制造更大尺寸的组件【jiàn】产品。类似液晶【jīng】面【miàn】板产业以面积增加形成的代际【jì】提升趋势已经【jīng】开始呈现。
在【zài】发电能力方面，同【tóng】样【yàng】标准功率下在不同光【guāng】照的地区，碲化【huà】镉年发电量比【bǐ】晶【jīng】硅更有【yǒu】优势。就中【zhōng】国大部分【fèn】区域模【mó】拟计算结果而言【yán】，碲化镉相对同样标【biāo】称功率的晶硅系统应该至少有【yǒu】3%到【dào】5%的发电量增【zēng】益【yì】;在高温高湿的热带气候环境中，发【fā】电量增益甚至可以达到20%。从电站【zhàn】运营的角度这样【yàng】的【de】增益是非常有吸引力的【de】。
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三全球碲化镉技术发展现状
现在【zài】，全【quán】球最大的碲化镉【gé】企业是美国First Solar公司，另外两家是中国【guó】企业——中建材和杭州龙焱，还【hái】有【yǒu】其他厂家的项目正【zhèng】在推进中【zhōng】。First Solar第【dì】四代组件效率约【yuē】16.5%-17%，今年新的【de】第六代大面积【jī】产品效【xiào】率达到17.9%-18.8%，中建材是12%-13%之间，龙焱也【yě】是【shì】12%-13%之间。
中建材的【de】生产线正在做生产【chǎn】调试，其【qí】尺寸【cùn】介于五代到【dào】六【liù】代之【zhī】间：1.6米×1.2米【mǐ】。龙焱以常规的尺【chǐ】寸为【wéi】主【zhǔ】，即1.2×0.6米，新的两条产线仍然是四代的尺寸，有想法要做三倍的尺寸【cùn】，但是新【xīn】的两条产线仍【réng】然是【shì】四【sì】代的尺寸。在【zài】生产成本上，First Solar目前保持着领先优势，已见报道的是【shì】1.3元/W，龙焱去【qù】年宣称实现成本【běn】低于【yú】2元/W。单线产能【néng】上，First Solar G3的【de】产【chǎn】能【néng】单线80MW，现的【de】在G6一条产线【xiàn】350MW，因为面积大效率也更【gèng】高;中建材的单线设计产能【néng】117MW，还没有达成;龙【lóng】焱新的产【chǎn】线是40MW，正在建【jiàn】。
碲化镉光【guāng】伏【fú】生【shēng】产成本还可【kě】以做的更低，可以从产业和【hé】技术两【liǎng】个方面实现：在产业【yè】上，First Solar已经降低到这个水平【píng】，如果中国碲化镉光伏产业【yè】发展【zhǎn】起【qǐ】来，可以充分发挥中国光伏全产业链的人【rén】才、设【shè】备、产业链配【pèi】套【tào】等优势，有希望可以【yǐ】做【zuò】的更低;技术上，碲化镉【gé】技术无论是实【shí】验【yàn】室效率【lǜ】还【hái】是从产线的效【xiào】率都有比较大提升的空间。
碲【dì】化镉光伏技术的优势【shì】是【shì】碲化镉结构和【hé】成分非常单一【yī】，碲和镉两种单质【zhì】在一起，化合之后只有【yǒu】1:1的碲【dì】化镉一【yī】种生成物。工【gōng】艺【yì】窗口很宽，即在很宽【kuān】的温度、气压范围内都能够得到高品质碲化镉【gé】材料，所以【yǐ】高效率【lǜ】碲化【huà】镉电池有许【xǔ】多不同的制备方法。此外，碲化镉饱和蒸气【qì】压【yā】相当低【dī】，很适合真空生产过【guò】程【chéng】。
当【dāng】前主流【liú】的【de】生产技术路线：First Solar是气相【xiàng】输运【yùn】法(VTD)技术路线。中建材、龙焱用的是近空间升华【huá】(CSS)，玻【bō】璃基板加热的温度【dù】比【bǐ】原【yuán】料温度稍低， 碲化【huà】镉原料从【cóng】固态【tài】直【zhí】接升【shēng】华变成气态，遇到玻璃板马上凝结沉积【jī】。还有一种美国Reel Solar的电镀方法，是在温【wēn】度低于水的沸【fèi】点、约【yuē】80摄氏度左右的含碲和镉化合【hé】物的水溶液中【zhōng】阴极沉积碲【dì】和【hé】镉，再用退火处理的方【fāng】法得到高品质【zhì】碲化镉的薄膜。
VTD的碲【dì】化镉生产路线【xiàn】除了生产速度【dù】快【kuài】，还不需要停机加料，对大型碲化镉沉积设备加热【rè】升温和停【tíng】机【jī】降温时【shí】间都【dōu】是以【yǐ】天来算的。VTD设备原理上【shàng】可以比较好的【de】避免生产中【zhōng】断。以往VTD的核心专【zhuān】利由First Solar持【chí】有，但2018年1月VTD专利【lì】已经过【guò】保护期【qī】，成为公开知识。
四碲化镉电池还可以怎么降成本
如【rú】果【guǒ】国内掌握【wò】了【le】大规模、稳定【dìng】、连续生产的技术，可以充分【fèn】利用国内健全的产业链，进一【yī】步降【jiàng】低薄膜光伏生产【chǎn】成本，技术【shù】方面碲化镉仍然有很大【dà】的提升空间【jiān】，虽然从2011年以来碲化镉【gé】电池实验【yàn】室效率纪录已经【jīng】九次【cì】被打破了【le】，但是【shì】仍然有比较大的提升空间。
电池当前的世界纪【jì】录【lù】和【hé】理论值间【jiān】的差距，碲化镉有八个百分【fèn】点，还有【yǒu】比【bǐ】较大的提升空间。晶体硅只【zhī】有【yǒu】四个百分点左右【yòu】，铜铟镓硒的提升空【kōng】间也【yě】有八个百分点【diǎn】左右，但是生产可行性有待解决，需要【yào】在【zài】降低【dī】生产成本【běn】上做进一【yī】步的研究投入【rù】。碲【dì】化镉生产成本已经比较低，效率也还【hái】有比较【jiào】大的提升空间。2011年以【yǐ】来的效率提【tí】升都【dōu】是在电流提高上做的工作，且已经做【zuò】到理【lǐ】论极限，接下来必须在提【tí】高【gāo】电压方面进行研究【jiū】工作。
碲化镉的实验室技术自2015年以【yǐ】来有很多突破，美国亚利桑那【nà】州立大学用分子束外延技【jì】术制备出碲化镉单晶【jīng】薄膜【mó】器件【jiàn】少子寿【shòu】命达到3.6微秒，这个指【zhǐ】标比GaAs还高;开路电压【yā】高【gāo】达1.12伏，比传统【tǒng】的0.8~0.9V有【yǒu】明显【xiǎn】提高，已【yǐ】经做到了【le】理论【lùn】开【kāi】压的90%以上。这从原理上【shàng】证明碲【dì】化镉【gé】材料作【zuò】为光伏半导体材料没有本征【zhēng】缺陷【xiàn】，是一种优【yōu】秀的光伏材料。
接【jiē】下【xià】来【lái】的任务是将单晶【jīng】里面高开压碲化镉的技术【shù】转【zhuǎn】移到多晶薄膜中，科罗拉多州立【lì】大学【xué】在碲【dì】化镉薄膜中，使用氧化【huà】铝双【shuāng】面钝【dùn】化技术，获得了【le】最高的载【zǎi】流寿命达【dá】到430纳秒，2001年的世界纪录碲化镉电【diàn】池的载【zǎi】流子寿命只有10纳米【mǐ】，现在已经提高【gāo】了一个数量级。多晶碲【dì】化镉【gé】薄膜电【diàn】池开压普【pǔ】遍超【chāo】过900mV已经【jīng】是可以指日可待【dài】了，已有明确的进一【yī】步提【tí】高电压和效率的技术【shù】路径。
碲化镉电池的优势
一【yī】、碲【dì】化镉电【diàn】池成本相对晶【jīng】硅电池更低，所需材料【liào】厚度只有晶【jīng】硅的1%。
二、碲化镉电【diàn】池需【xū】要的纯度大概是【shì】四个9到五【wǔ】个9，晶体【tǐ】硅需要六个9以【yǐ】上，纯度越【yuè】高材料成本越【yuè】高，所以材料成本有一定的优【yōu】势。
三、高温高湿的【de】环境下，碲化镉电池相对同效率【lǜ】晶【jīng】硅组【zǔ】件有更多的【de】发电【diàn】量，最多总发电量【liàng】可超过晶硅20%，普遍可以多发3%到【dào】5%。
四、碲化镉电池生产时间短，只【zhī】需要9-21小【xiǎo】时【shí】，度电成本上已经【jīng】做到人民币5毛钱以【yǐ】下。
五、效率提升【shēng】的速度最【zuì】近几年比较快，未来提升的【de】空【kōng】间【jiān】比晶【jīng】硅电池大。
当然，这不是说碲化镉【gé】要替代晶体硅，但【dàn】是如果市场【chǎng】规模增大一个数量级，可以给【gěi】市场带【dài】来【lái】另一【yī】个可靠【kào】的选择。
