碲化鎘薄膜太陽電池的產業化

龍焱能源科技(杭州)有限公司 ■ 吳選之

一 CdTe薄膜太陽電池技術簡介

太陽能發電是解決人類未來能源需求的最有潛力的可再生能源。根據美國國家可再生能源實驗室(NREL)報告，太陽一天發射到地球表面的能量，可供全人類27年的用電需求。IEEC估算，到2050年光伏發電可占全球發電總量的11%，累計裝機總量可達3000GW。

能否實現為人類提供大量潔凈而廉價的太陽能發電，關鍵是要發展能制備出高效、廉價的太陽電池組件的技術。在眾多的光伏發電技術中，碲化鎘(CdTe)本身固有的材料性能和它的發展實踐，已經證明CdTe薄膜太陽電池是一種適合于大規模生產的高效廉價太陽電池。

CdTe薄膜太陽電池具有以下特點：

(1)CdTe本身具備與地面太陽能光譜匹配的禁帶寬度(約1.45eV)和高于硅材料100倍的吸收系數(＞105cm?1)等材料特性，適合制備高效薄膜太陽電池。CdTe大面積組件的效率已超過13%。

(2)CdTe相比硅材料具有其功率溫度系數低(?0.21%/K)和弱光效應好等特性。CdTe組件發電能力高于硅組件約10%。

(3)CdTe屬于簡單的二元化合物系統，易生成單相材料。已有10種以上的技術可制備10%以上的CdTe小面積電池，其中已有5種技術用于產業化生產。特別是CSS(近距離升華)和VTD(氣相輸運沉積)技術，具備沉積速率高(3～10μm/min)、膜質好、晶粒大、原材料利用率高(＞85%)等優點，特別適合大規模生產。

(4)目前CdTe組件是所有太陽電池組件中性價比最好的。目前組件成本可做到0.64美元/W左右，當組件效率達13%，成本可進一步降到0.5美元/W。

(5)CdTe組件大規模的應用已得到驗證，在全世界在建的和已完成的10個大型光伏電站中，有6個且其中最大的3個(300MW以上)都是采用CdTe組件。

(6)大量研究表明，CdTe組件是環保友好的產品。CdTe不同于元素鎘，是穩定的化合物，能被安全使用。CdTe薄膜組件中CdTe用量很小，1MW CdTe組件僅需約250kg的CdTe。CdTe被密封在兩塊玻璃之間，常溫下沒有Cd的釋放。即使在1100℃的高溫下，根據美國Brookhaven國家實驗室(BNL)報告，99.96%的CdTe都被熔化的兩塊玻璃封住而沒有泄露。比較其他幾種太陽電池及其他能源，在CdTe太陽電池組件制備和使用全壽命期內，總的鎘釋放量為最低(見圖1)。

歐洲PV Accept Project報告顯示，CdTe太陽電池的能量回收期僅為0.9年，FS的實踐也已證明其為10個月。CdTe組件生產廠商回收廢舊CdTe組件，并應用已開發的廢舊組件再利用技術，可重新利用其中的主要原材料，達到既加強環保又逐步實現循環經濟的發展模式。2011年，歐盟已經豁免了RoHS(全稱為《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》)的要求，大量CdTe組件已廣泛應用于德國、西班牙、意大利等一些歐盟國家。

二 CdTe薄膜太陽電池的產業化

由于CdTe材料本身所具備的一系列特性，十分適用于生產大規模高性能、低成本太陽電池組件。早在1991年，First Solar的前身Solar Cell Inc.和Abound的前身AVA就開始從事CdTe太陽電池技術的產業化。之后，又有ANTEC等20余家企業加入到這一行列。表1、表2列出了近幾年從事碲化鎘太陽電池產業化的一些國內外企業和部分研究單位。

表中有些公司由于各種原因已經終止產業化的工作；有的公司盡管已投入大量資金建立了生產線，但至今仍未形成大規模生產的能力；還有的公司由于生產成本高等原因，已經終止已有的生產能力。總之，目前能夠大規模生產CdTe薄膜光伏組件的生產廠商只有First Solar一家。可見CdTe技術產業化不是一件單純的技術工作，而是一項綜合性很強的系統工程，實現CdTe技術的產業化有一定的難度。

表1 國外從事CdTe薄膜太陽技術產業化的公司

表2 國內從事CdTe薄膜太陽電池技術產業化的公司和部分研究單位

龍焱能源科技(杭州)有限公司，位于杭州(下沙)經濟技術開發區，成立于2008年5月，一直致力于在中國實現CdTe薄膜太陽電池技術的產業化。經過四年的努力，先后成功建立了實驗線、中試線和生產線，經歷了從研制實驗室小面積(約1cm2)電池到研制3''×3''和6''×6''小型組件，再到生產0.6m×1.2m大面積組件等各個階段(見圖2)，開發出擁有完全自主知識產權的整套生產工藝和核心設備，建立了一條全自動化、年產30MW的CdTe薄膜組件生產線。

龍焱產業化的目標是大規模生產“四高一低”的大面積CdTe組件，“四高”是指高效、高優品率、高生產率和高穩定性，“一低”是低成本。整個產業化分成四個階段完成，“四高一低”的要求貫穿在整個產業化的過程。

1 籌備階段

除完成常規的公司選點、注冊、人員招聘與培訓、設備與材料商的調研等工作外，主要完成了技術路線和實施計劃的制定。這項工作是在充分調查研究的基礎上完成的。我們不僅要充分了解各種技術的優缺點，而且要了解成功的和終止產業化的各家公司在實施中的經驗教訓。這不僅有利于公司能確定一個既高標準而又實事求是，經過努力可實現的一個目標及技術路線，而且還能幫助我們在實施過程中少走彎路，起到事半功倍的作用。

兩種CdTe薄膜沉積技術：CSS和VTD，CSS作為最常用的沉積技術被用于CdTe太陽電池技術產業化中。CSS法中，多數公司采用沉積源在下、襯底在上的傳統沉積方式。這種方式沉積源的結構相對較簡單，但載片系統與傳動系統較為復雜。特別后者還限制了襯底的溫度，從而限制效率的提高。也有少數幾家公司采用改良型的結構，源在上而襯底在下，但由于沉積源的結構過于復雜或沒能在R&D階段充分試驗，很多細節沒能考慮周到，結果沒有取得成功。我們吸取了這些教訓，充分認識到沉積源在這臺設備中的重要性，在研發、中試和生產線階段，分別安排相應項目進行系統研發。

在研發階段，研制了一臺試驗機(見圖3a)，專門進行沉積源的研究。就沉積源的結構、材質、加熱方式、沉積速度、薄膜的厚度以及均勻性控制等進行了系統研究，前后共進行試驗100余次。在中試階段，研發一臺1'×1'CdTe薄膜連續高速沉積系統(見圖3b)，重點研究了傳動和真空等系統。兩個階段工作的合成不僅讓我們取得中試CdTe薄膜沉積設備調試一次成功，而且為下階段研制生產線的高速連續大面積CdTe薄膜沉積設備提供了已證實可行的方案和大量的實驗數據，為該臺設備研制成功做了充分準備(見圖3c)。

2 研發階段

在研發階段前期，我們建立了一個1200m2擁有50余臺沉積和測試設備的薄膜太陽電池實驗室，并系統研究了一些新材料新、工藝以及集成與封裝技術。

在這條實驗線上(圖4)，研制出了效率超過15%的CdTe小面積電池(圖5)和效率超過14%的3''×3''小型組件(圖6)。這些結果為現在大面積組件提高效率打下了堅實的技術基礎。

3 中試階段

中試階段是產業化中十分重要的一環，起到承上啟下的特殊作用。我們要求中試線向生產線提供“六出”：出工藝、出設備、出高效組件、出環保、出廠房總體設計和出人才。所有設備與工藝開發均按照“四高一低”的要求進行。中試線的工作要為生產線的建設做好全面的準備。主要工作有：

(1)中試線要集成所有在實驗線已開發出的各種技術，形成整套的生產工藝。

(2)整套工藝要繼續進行產業化的研究，如提高沉積速率，采用廉價的國產材料等。

(3)研制核心設備，如研發1'×1'CdTe薄膜高速連續沉積設備。

(4)組件穩定性的研究，包括：

① CdTe電池本征穩定性試驗。公司成立4年，已有3年多的室內外穩定性測試數據。通過這些試驗，取得了大量有關不同工藝參數、材料和電池結構等對電池穩定性的影響，為提高大面積組件穩定性提供了大量寶貴的實驗數據。圖7為2塊3''×3''小型組件經過3年室外老化的效率變化曲線。

② CdTe組件的環境試驗，按照IEC61646-2008標準中環境測試標準對中試組件進行了一系列系統試驗，如紫外預處理、高低溫循環試驗(T200)、濕凍循環試驗和濕熱試驗(雙85)。測試結果表明，全部被測組件都通過了以上測試，見表3。這些工作為現在正在進行的產品認證奠定了堅實基礎。

(5)環保：我們在環保方面做了3件事。① 研究了三廢處理技術。通過處理，廢氣廢水中重金屬的含量已遠遠低于國家排放標準；② 成立專職的安全環保組，采取一系列措施，如設備密封、員工的職業衛生，嚴格的防護措施等確保員工的身體健康。此外，公司每年對所有員工進行體檢，包括尿鎘檢查。幾年檢查結果表明，員工平均尿中鎘的含量遠遠低于國家標準，并且沒有升高的趨勢。③成功研發廢舊組件的回收和再利用技術。這樣既可避免廢舊組件可能造成的環境污染，還可對鎘、碲等重要資源進行回收和再利用(圖8)，逐步實現閉環的循環經濟。

(6)應用1'×1'CdTe高速連續沉積設備和集成整套工藝，并采用全部國產原材料，制備出6''×6''組件，經中國科學院太陽光伏發電系統和風力發電系統質量中心(STC)檢測和認證，轉換效率達12.58%，如圖9所示。

4 生產線建設階段

表3 中試6″×6″組件環境試驗結果

從2010年第二季度開始，龍焱能源科技開始首期廠房的建設。2010年末，建成21000m2的生產廠房(可容納2條30MW生產線)，第一條生產線所需的40余臺國產生產和測試設備，在完成安裝調試后已投入使用，如圖10所示。

2011年9月進行生產線的第一次聯調，0.6m×1.2m組件成品率(當時規定效率＞8%)達100%，最高效率超過10%，實現了聯調一次成功。之后，我們對這條生產線進行了大量優化工作。

公司近期的進展如下：

(1)提高組件轉換效率是降低組件成本最有效的措施。我們經過材料與工藝的優化，0.72m2CdTe組件最高效率已達11.86%(由TUV Nord測試和認證)，如圖11所示。

(2)在提高設備與工藝穩定性，加強原材料供應的穩定性以及導入ISO-9001質量管理體系等基礎上，組件優品率進一步得到提高。圖12顯示了在一次聯調全部組件效率的分布，共投片50片，組件效率分布在11.05%～11.65%之間，平均效率達到11.41%，平均輸出功率達75.43W。

(3)為降低制造成本，我們生產線上全部設備均為國產設備，且很多設備都是國內第一臺。有些設備在穩定性方面有不足之處，經過與生產廠商的長期共同努力，很多設備明顯提高了開機率，現在生產線已實現班產240片組件的能力。

(4)在實驗室小型電池和中試組件3年多老化研究的基礎上，將一系列實踐中已證明行之有效的措施應用于0.72m2大面積組件上，并做了進一步的改善，組件穩定性取得較好的結果。圖13為龍焱CdTe組件室外老化場地，可同時老化組件120塊。

(5)為滿足各種電站的需要，開發出3類產品：高電壓低電流組件(S1)、低電壓高電流組件(S2)以及透光率及圖案等可隨客戶要求而定做的BIPV組件(ST1)。表4列出了S1系列的主要參數。

(6)采用龍焱CdTe組件和商用的晶硅組件，建造了一座3kW光伏實驗電站。目前電站運行正常，而且運行數據表明：CdTe組件由于低溫度系數和良好的弱光效應，發電能力比硅組件約高出10%，如圖14所示。

表4 產品S1系列的主要參數表

三 結語

CdTe本身固有的材料特性和發展實踐證明，CdTe多晶薄膜太陽電池技術是一種適合于大規模生產的高效廉價的太陽電池技術。

龍焱能源科技(杭州)有限公司成功邁出了CdTe薄膜太陽電池產業化的第一步：開發出擁有完全自主知識產權的全套生產大面積CdTe組件的工藝與核心設備，建立了一條全自動化的30MW CdTe組件生產線，組件平均效率達11.4%，最高組件效率達11.86%。生產線還開發出三類產品，成功應用于光伏電站。

在目前我國光伏行業處于困難時期，龍焱能源科技采取“苦練內功、蓄勢待發”的企業戰略，走“先強后大”的發展道路，充分發揮龍焱團隊的技術優勢，繼續提高現有產品的效率，大力開發新產品和新技術，充分進行市場差異化的運作，為我國普及潔凈而便宜的太陽能發電貢獻一點力量。