本文根据刘向鑫博士在【zài】9-21举行的【de】“碲【dì】化镉全球峰会【huì】暨第四届碲【dì】化镉材料与太阳能电池技术国际研讨会”上的演讲整理而成。
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
国家能源局“全民光伏计划【huá】”对【duì】十九大报告做了要点摘要：到2035年要基本【běn】实现社会主【zhǔ】义现代化，而现代化和用电水平【píng】直接【jiē】相关。生态环境根本好【hǎo】转【zhuǎn】、美丽中国基【jī】本实现，要实现环境友好的现【xiàn】代【dài】化【huà】。推进能源生产和【hé】消【xiāo】费革命，构建清洁低碳安全高【gāo】效【xiào】的能源体系，发展新能源【yuán】将是【shì】愿【yuàn】景【jǐng】中的重要【yào】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，相当于需要安装3.9-21.6TW光【guāng】伏。为【wéi】了【le】形象的说明，在【zài】我国地图上【shàng】标出三【sān】个方块，这【zhè】三个方【fāng】块中任何【hé】一个地方【fāng】铺【pù】满效率为15%的太阳能电池板【bǎn】，都可以满足我国2016年全社会用【yòng】电量【liàng】。以北京、天津、华北平【píng】原一带为例，只要将【jiāng】效率为15%的太阳【yáng】能电池板铺满边长210公里的一个正方形区域就可以满【mǎn】足全【quán】国2016年用电需求。虽然光伏能量可以供应【yīng】的总量巨大，但是短【duǎn】期【qī】内【nèi】不可能所有的用电【diàn】都来【lái】自光伏，应【yīng】该尽量【liàng】争取能源结构多元化，光伏和其【qí】他清洁能源在【zài】我【wǒ】国能【néng】源【yuán】结构中占到【dào】比较【jiào】显【xiǎn】著比重即可。
为【wéi】什【shí】么社会现代【dài】化【huà】程度和光【guāng】伏有关【guān】系?《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》这本书给出了【le】联合国公布的国家人类发展指数【shù】与国家人均用电量分布图【tú】。纵轴是人类发展指数【shù】，用【yòng】比较好理解的【de】意思是一个国家【jiā】生活的幸福程度，横轴是人均全社【shè】会用电【diàn】量。
以美国【guó】俄亥【hài】俄州一家三【sān】层楼普通别墅为实例【lì】，朝南的【de】屋顶3/5面积装了二手碲化【huà】镉太【tài】阳能电池板，2006年安装时效率【lǜ】只有9%;整栋房子装了两块电表，分别【bié】记录【lù】电网【wǎng】输入电量和光伏【fú】发【fā】电卖出的【de】电量，两【liǎng】块【kuài】电【diàn】表年总电量可【kě】以持平，即净用【yòng】电量是0。这意味着4.3KW光伏【fú】发电量可以满足这家美国家庭整【zhěng】栋房子全【quán】年的用【yòng】电量，包括【kuò】空调、热水以及生【shēng】活所有方【fāng】面，同时还【hái】包括每天40分钟电动车的通勤。4.3KW足够一个标【biāo】准美国家庭自发自用，如【rú】果按7元/W的系【xì】统【tǒng】成本仅需【xū】要3万元，所【suǒ】以对于家庭【tíng】而言安装光【guāng】伏发电的成本【běn】其实并不【bú】大。
现在我国人【rén】均【jun1】全社会年用电【diàn】量水平约4000-5000度，如果要基本实【shí】现【xiàn】现代【dài】化，用电水平应该达到9000度【dù】水平，从4000-5000度到9000度，增量是4000-5000度。通【tōng】过测算，1W的光伏电池板一【yī】年在我国东部平均发电【diàn】量是1度;如果到2035年增加一【yī】倍的全国用【yòng】电量，光伏累计安装量【liàng】只需要【yào】占【zhàn】到【dào】其增量中的1/4到1/5，就可以增加【jiā】每【měi】人【rén】每年【nián】1000度的光伏发电量，相当于1300GW到1500GW的总增量，基本上【shàng】符合我【wǒ】国【guó】能源【yuán】局规划的2035年【nián】人均1000W光伏【fú】的【de】设【shè】定。
这说【shuō】明“全民【mín】光伏计划”提出2035年每人1000W光伏装机量不是奇思妙想，但是【shì】对于光伏行业来说这【zhè】将是一个巨大的【de】市【shì】场，依据这个规划将从【cóng】现在的总安装量130GW还要再【zài】增加一个数量级【jí】(10倍)。
二、为什么说碲化镉适合大规模应用
如果要【yào】支撑我【wǒ】国如【rú】此大的用【yòng】电发展【zhǎn】需求，光伏必【bì】须要【yào】便宜。技术路线【xiàn】要做到三个基础要求——成本足够【gòu】低、转【zhuǎn】换效率足够【gòu】高、寿命足够长。
晶体硅技术已经【jīng】可以做得到这三【sān】点，所以成【chéng】为了主【zhǔ】流的技术【shù】。碲化镉这三方面【miàn】都不是问题，并且【qiě】具【jù】备了很【hěn】多优势。
在【zài】产业化方面，传统碲化【huà】镉薄膜太阳能电池【chí】组件尺【chǐ】寸是1.2米×0.6米【mǐ】，从【cóng】去年开始FirstSolar发【fā】布第六代、功率达到420W的【de】以上组件产品，尺寸达到1.2米×2.0米【mǐ】，全面积【jī】效率可以达到18%，与市面【miàn】上第【dì】一梯【tī】队晶硅组件相当。
为什么要走大面积的路【lù】线?碲化镉薄膜和晶硅组件不同【tóng】，碲【dì】化镉薄膜电【diàn】池【chí】工艺类似半【bàn】导体薄【báo】膜光电【diàn】器件工艺的流程，和液晶面板产业【yè】类似。设备的折【shé】旧成本随尺【chǐ】寸增加【jiā】呈现下降的逼近曲线关系，现在以碲【dì】化【huà】镉【gé】为代表的薄膜组【zǔ】件尺【chǐ】寸越来越大【dà】，目的就是为了降低设备【bèi】摊【tān】销【xiāo】的成【chéng】本。
新一【yī】代碲化【huà】镉组件尺寸比晶硅72片【piàn】组件略大，应用中【zhōng】可节省系统【tǒng】成本和安【ān】装成本【běn】。已经有不同【tóng】厂家【jiā】开始筹划制造更【gèng】大尺寸【cùn】的组【zǔ】件【jiàn】产品。类似液晶面板产业以面积增加形成的代【dài】际【jì】提升趋势已【yǐ】经开始呈现。
在【zài】发电能力方面【miàn】，同样标准功【gōng】率下【xià】在不同光照的地区，碲【dì】化镉年发电量比晶硅【guī】更有优势。就中国大【dà】部分区域模拟计【jì】算结果【guǒ】而【ér】言，碲【dì】化【huà】镉相【xiàng】对同样标称功率的晶硅【guī】系统应【yīng】该至【zhì】少有3%到5%的发电【diàn】量增益;在高温高湿的热带气【qì】候环【huán】境中，发电量增益甚至可【kě】以达到20%。从电站运【yùn】营的角度【dù】这样的【de】增益是非常有吸引力【lì】的。
三、全球碲化镉技术发展现状
现在，全【quán】球最大的碲【dì】化镉【gé】企业是美国First Solar公司，另外两家是中国企业【yè】——中建材和【hé】杭州龙焱，还有其他厂家的项目正【zhèng】在【zài】推进中。First Solar第四代组【zǔ】件效率约16.5%-17%，今年【nián】新的第【dì】六代【dài】大面【miàn】积【jī】产品效率达到17.9%-18.8%，中建材是【shì】12%-13%之间，龙焱也【yě】是12%-13%之间。
中建材的生产线正在做生产调试，其尺寸【cùn】介于五代到六代【dài】之间【jiān】：1.6米×1.2米。龙焱【yàn】以常规【guī】的尺寸为主，即1.2×0.6米，新【xīn】的两条产【chǎn】线仍【réng】然是四代的【de】尺寸，有想【xiǎng】法要做三倍的尺寸，但是新【xīn】的两条产线仍然是四【sì】代的尺寸【cùn】。在生产成本上，First Solar目【mù】前【qián】保持着领先优势，已【yǐ】见【jiàn】报道【dào】的【de】是1.3元/W，龙【lóng】焱去年宣称实现【xiàn】成本低于2元/W。单线产能上，First Solar G3的【de】产能单线80MW，现【xiàn】的在【zài】G6一条产线350MW，因为面积大效【xiào】率【lǜ】也更高;中建材的单线设计产能【néng】117MW，还没有达成;龙焱新的产线是40MW，正在建。
碲化镉光伏生产成本【běn】还可以【yǐ】做的更【gèng】低，可以【yǐ】从产业和技术两个方面实【shí】现：在产【chǎn】业上，First Solar已【yǐ】经【jīng】降【jiàng】低【dī】到这个水平，如【rú】果中国碲化镉光伏【fú】产业发展【zhǎn】起来，可以充分发挥中国光【guāng】伏【fú】全产业链的【de】人才、设备、产【chǎn】业链配套等优势，有希望可以【yǐ】做的更低;技术上，碲化镉技【jì】术无论是实验室效率还是从产线的【de】效【xiào】率【lǜ】都有【yǒu】比【bǐ】较大提升的空间。
碲化镉光伏技术的优势是碲化【huà】镉结构和成分【fèn】非【fēi】常单一，碲和镉【gé】两种【zhǒng】单【dān】质在【zài】一起【qǐ】，化合之【zhī】后只有【yǒu】1:1的碲化【huà】镉【gé】一种生成物。工艺窗口很宽【kuān】，即在很【hěn】宽的温度、气压范围内都能够得到高品【pǐn】质碲【dì】化镉材料，所以高效率碲化【huà】镉【gé】电【diàn】池有【yǒu】许多不同的制备方法。此外，碲化镉饱和蒸气压相当低【dī】，很适合真【zhēn】空生产过【guò】程。
当前主流【liú】的【de】生【shēng】产技术路线：First Solar是气【qì】相输运法(VTD)技术路线。中建材、龙焱【yàn】用的是近【jìn】空间升华(CSS)，玻【bō】璃基板加热的温度比原料【liào】温度稍低， 碲【dì】化镉原料从固态【tài】直接【jiē】升【shēng】华变成气【qì】态，遇到玻璃【lí】板【bǎn】马上凝结沉积。还有一种美【měi】国Reel Solar的电镀方【fāng】法，是在温度低【dī】于水的沸点、约80摄氏度左右【yòu】的含碲和镉化合物的【de】水溶液中阴【yīn】极【jí】沉【chén】积碲和镉，再【zài】用退火处【chù】理的方法得到高【gāo】品质碲化镉【gé】的薄膜【mó】。
VTD的碲化镉生产路线除了生产速度快，还不需要停机加料，对大型【xíng】碲化镉沉积设备加热【rè】升温和停机降温【wēn】时间都是以【yǐ】天来算的。VTD设备原【yuán】理上可以【yǐ】比【bǐ】较好的【de】避免生【shēng】产中断。以往【wǎng】VTD的【de】核心【xīn】专利【lì】由First Solar持有【yǒu】，但2018年1月VTD专利已【yǐ】经过保护期，成为公【gōng】开知识。
四、碲化镉电池还可以怎么降成本
如果国【guó】内掌握了【le】大规模、稳定、连续生产【chǎn】的技术，可以充分【fèn】利用国【guó】内【nèi】健全的产【chǎn】业链，进【jìn】一步降低薄膜光伏生【shēng】产成本【běn】，技【jì】术【shù】方面碲化镉仍然有很大的提升空【kōng】间，虽然【rán】从2011年以来碲化【huà】镉电池实验室效率纪录已经九次被【bèi】打破了，但是仍然有比较【jiào】大【dà】的【de】提升空间。
电池当前的世界【jiè】纪录【lù】和理论值间的差距，碲化镉【gé】有八【bā】个百分点【diǎn】，还有比较大的【de】提升【shēng】空间。晶体硅只有四个【gè】百分点左右，铜铟【yīn】镓硒的【de】提升空间【jiān】也有八【bā】个百【bǎi】分点左右，但是生【shēng】产可行性有待【dài】解决，需要在降低生产成【chéng】本上做进一步【bù】的【de】研究投【tóu】入。碲化镉生产成本已经比较低，效率【lǜ】也还有比较大【dà】的提【tí】升空间。2011年以来的效率提【tí】升【shēng】都是在电流提高上做【zuò】的工【gōng】作【zuò】，且已经做到【dào】理论【lùn】极限，接下来必须在提【tí】高电压方面进行研究工作。
碲化镉的实验室技术【shù】自【zì】2015年以来有很多突【tū】破，美国亚利桑那州立大学用分子束外延【yán】技【jì】术制【zhì】备出碲化镉单晶薄膜【mó】器件少子寿命达到3.6微【wēi】秒，这个指标比【bǐ】GaAs还高【gāo】;开路电压高达1.12伏，比传统【tǒng】的【de】0.8~0.9V有明【míng】显提高，已经做到了理论开【kāi】压的【de】90%以上。这从原理上【shàng】证明碲化镉【gé】材【cái】料作为光伏半【bàn】导体材【cái】料没【méi】有本征缺陷，是一种优秀的光伏材料。
接下来的任务【wù】是将单晶里【lǐ】面高开压碲化镉的技术【shù】转移到多晶薄膜中，科罗拉多州【zhōu】立大学在【zài】碲【dì】化镉薄膜【mó】中，使用氧化【huà】铝双面钝化技术【shù】，获【huò】得了最高的载【zǎi】流寿命【mìng】达到430纳秒，2001年的世界纪【jì】录碲化【huà】镉电池的载流子寿命只有10纳米，现在【zài】已【yǐ】经提高【gāo】了一【yī】个数量级。多【duō】晶【jīng】碲化【huà】镉薄膜【mó】电池开压普遍超过900mV已经【jīng】是可【kě】以指日可【kě】待了，已【yǐ】有明确的进一步提高电压【yā】和效率的技术路径。
五、碲化镉电池的优势
一)碲化镉电池成本相【xiàng】对晶硅电池【chí】更低，所需材料厚【hòu】度只有晶【jīng】硅的1%。
二)碲化镉电池需要的纯度大【dà】概【gài】是四【sì】个9到五个9，晶【jīng】体硅【guī】需要六【liù】个9以上，纯度【dù】越【yuè】高材料【liào】成【chéng】本越高，所【suǒ】以材料成本有一定的优势。
三)高温高湿的环境【jìng】下，碲【dì】化镉电池【chí】相对同【tóng】效率晶【jīng】硅组件有更多的发电量【liàng】，最多总发电量可超过晶硅20%，普【pǔ】遍可【kě】以【yǐ】多发3%到5%。
四【sì】)碲化镉电池生产时【shí】间短，只【zhī】需要9-21小时，度电成本上已【yǐ】经做到人民币5毛钱【qián】以下。
五)效【xiào】率提【tí】升的速度最近几年比较快，未来提升【shēng】的空间【jiān】比【bǐ】晶硅电池【chí】大。
当【dāng】然，这不是说碲化【huà】镉要替代晶体硅【guī】，但【dàn】是如果市场【chǎng】规模增大一个数量【liàng】级，可以给【gěi】市【shì】场带来另一个可靠【kào】的选择。
