本文根據(jù)劉向鑫博士在2018年8月20日舉行的“碲化鎘全球峰會暨第四屆碲化鎘材料與太陽能電池技術(shù)國際研討會”上的演講整理而成。

演講人：劉向鑫 中國科學院電工研究所研究員，博士，博導，“百人計劃”學者，薄膜太陽電池研究組組長

這篇文章將解答三個問題：

一是光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能到底有沒有過剩？二是光伏能不能做的更便宜？能不能滿足我國電力的需求？ 三是未來哪一種光伏技術(shù)有可能會勝出？

一、到2035年我國光伏還有10倍的需求增量

國家能源局“全民光伏計劃”對十九大報告做了要點摘要：到2035年要基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化，而現(xiàn)代化和用電水平直接相關。生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)、美麗中國基本實現(xiàn)，要實現(xiàn)環(huán)境友好的現(xiàn)代化。推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，發(fā)展新能源將是愿景中的重要部分。

2016年我國全社會發(fā)電量約6萬億度，如果全部使用光伏發(fā)電，相當于需要安裝3.5-6.6TW光伏。為了形象的說明，在我國地圖上標出三個方塊，這三個方塊中任何一個地方鋪滿效率為15%的太陽能電池板，都可以滿足我國2016年全社會用電量。以北京、天津、華北平原一帶為例，只要將效率為15%的太陽能電池板鋪滿邊長210公里的一個正方形區(qū)域就可以滿足全國2016年用電需求。雖然光伏能量可以供應的總量巨大，但是短期內(nèi)不可能所有的用電都來自光伏，應該盡量爭取能源結(jié)構(gòu)多元化，光伏和其他清潔能源在我國能源結(jié)構(gòu)中占到比較顯著比重即可。


2017年我國光伏累計安裝量達到130GW，人均僅100W。2035年我國“全民光伏計劃”設想累計安裝量將達到1.6TW，相當于人均1000W，2050年將在2035年的基本上再翻一倍，人均達到2000W。

為什么社會現(xiàn)代化程度和光伏有關系？《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》這本書給出了聯(lián)合國公布的國家人類發(fā)展指數(shù)與國家人均用電量分布圖。縱軸是人類發(fā)展指數(shù)，用比較好理解的意思是一個國家生活的幸福程度，橫軸是人均全社會用電量。
人均全社會用電量越大，表明發(fā)展指數(shù)越高，但這是一個無限逼近1的函數(shù)。我國在2000年人均全社會用電量不足1000度，發(fā)達國家是每人每年8000度以上的水平。我國到2016年全社會用電總量約6萬億度，均攤到每人是4500度左右。美國、加拿大、澳大利亞這些國家全社會用電水平相當高。

以美國俄亥俄州一家三層樓普通別墅為實例，朝南的屋頂3/5面積裝了二手碲化鎘太陽能電池板，2006年安裝時效率只有9%；整棟房子裝了兩塊電表，分別記錄電網(wǎng)輸入電量和光伏發(fā)電賣出的電量，兩塊電表年總電量可以持平，即凈用電量是0。這意味著4.3KW光伏發(fā)電量可以滿足這家美國家庭整棟房子全年的用電量，包括空調(diào)、熱水以及生活所有方面，同時還包括每天40分鐘電動車的通勤。4.3KW足夠一個標準美國家庭自發(fā)自用，如果按7元/W的系統(tǒng)成本僅需要3萬元，所以對于家庭而言安裝光伏發(fā)電的成本其實并不大。

現(xiàn)在我國人均全社會年用電量水平約4000-5000度，如果要基本實現(xiàn)現(xiàn)代化，用電水平應該達到9000度水平，從4000-5000度到9000度，增量是4000-5000度。通過測算，1W的光伏電池板一年在我國東部平均發(fā)電量是1度；如果到2035年增加一倍的全國用電量，光伏累計安裝量只需要占到其增量中的1/4到1/5，就可以增加每人每年1000度的光伏發(fā)電量，相當于1300GW到1500GW的總增量，基本上符合我國能源局規(guī)劃的2035年人均1000W光伏的設定。

這說明“全民光伏計劃”提出2035年每人1000W光伏裝機量不是奇思妙想，但是對于光伏行業(yè)來說這將是一個巨大的市場，依據(jù)這個規(guī)劃將從現(xiàn)在的總安裝量130GW還要再增加一個數(shù)量級（10倍）。

二、為什么說碲化鎘適合大規(guī)模應用

如果要支撐我國如此大的用電發(fā)展需求，光伏必須要便宜。技術(shù)路線要做到三個基礎要求——成本足夠低、轉(zhuǎn)換效率足夠高、壽命足夠長。

晶體硅技術(shù)已經(jīng)可以做得到這三點，所以成為了主流的技術(shù)。碲化鎘這三方面都不是問題，并且具備了很多優(yōu)勢。

在產(chǎn)業(yè)化方面，傳統(tǒng)碲化鎘薄膜太陽能電池組件尺寸是1.2米×0.6米，從去年開始FirstSolar發(fā)布第六代、功率達到420W的以上組件產(chǎn)品，尺寸達到1.2米×2.0米，全面積效率可以達到18%，與市面上第一梯隊晶硅組件相當。

為什么要走大面積的路線？碲化鎘薄膜和晶硅組件不同，碲化鎘薄膜電池工藝類似半導體薄膜光電器件工藝的流程，和液晶面板產(chǎn)業(yè)類似。設備的折舊成本隨尺寸增加呈現(xiàn)下降的逼近曲線關系，現(xiàn)在以碲化鎘為代表的薄膜組件尺寸越來越大，目的就是為了降低設備攤銷的成本。

新一代碲化鎘組件尺寸比晶硅72片組件略大，應用中可節(jié)省系統(tǒng)成本和安裝成本。已經(jīng)有不同廠家開始籌劃制造更大尺寸的組件產(chǎn)品。類似液晶面板產(chǎn)業(yè)以面積增加形成的代際提升趨勢已經(jīng)開始呈現(xiàn)。

最近“5.31新政”出臺以后，光伏組件售價持續(xù)下降，7月份已經(jīng)出現(xiàn)了1.8元/W的售價，而成本2018上半年已經(jīng)降低到了2元/W左右，成本下降相對比較緩慢。短期的價格波動帶來的壓力雖大，要找規(guī)律還需要看比較長時期的歷史數(shù)據(jù)。碲化鎘和晶體硅累計出貨量和成本下降的曲線類似摩爾定律，組件成本隨著累計出貨量的數(shù)量級呈線性下降，就是產(chǎn)業(yè)規(guī)模要以數(shù)量級的增長來換取成本下降。不過，碲化鎘的摩爾曲線始終在晶硅的下方。目前第6代大面積碲化鎘組件已經(jīng)可以達到1.3元/W的生產(chǎn)成本，仍然可以和“5.31新政”后預測的低價晶硅組件競爭。 平價上網(wǎng)不只是組件和系統(tǒng)成本，最終要算全運行周期度電成本。碲化鎘目前做到什么水平？2015年最低的上網(wǎng)報價是內(nèi)華達州的3.87美分，即0.28元人民幣/千瓦時，現(xiàn)在度電的水平在6美分到4美分每度的范圍，可以和煤電、燃氣發(fā)電競爭抗衡了，到這個水平就算得上是平價上網(wǎng)了，已經(jīng)和傳統(tǒng)電力成本相當?shù)?。這是在集中式地面電站的數(shù)據(jù)。

國外碲化鎘大規(guī)模的應用已經(jīng)比較普遍，前幾年維基百科上可以搜得到，全球前十大光伏地面電站里面有五個全部采用碲化鎘組件，應用的規(guī)模之大已經(jīng)不是小眾技術(shù)。此外，碲化鎘半透明組件也應用到了建筑光伏一體化領域，可以做出藝術(shù)圖案效果，在差異化應用的場景中碲化鎘薄膜技術(shù)也得到了推廣。

在發(fā)電能力方面，同樣標準功率下在不同光照的地區(qū)，碲化鎘年發(fā)電量比晶硅更有優(yōu)勢。就中國大部分區(qū)域模擬計算結(jié)果而言，碲化鎘相對同樣標稱功率的晶硅系統(tǒng)應該至少有3%到5%的發(fā)電量增益；在高溫高濕的熱帶氣候環(huán)境中，發(fā)電量增益甚至可以達到20%。從電站運營的角度這樣的增益是非常有吸引力的。

在電池結(jié)構(gòu)上，晶硅和碲化鎘沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但晶體硅需要達到150微米，碲化鎘只需要2-3微米。在生產(chǎn)工藝上晶硅和碲化鎘卻有很大的區(qū)別：晶硅產(chǎn)業(yè)鏈至少分硅料生產(chǎn)、鑄錠、切片、電池片、組件等；碲化鎘薄膜工藝直接使用碲化鎘原材料進入生產(chǎn)線，生產(chǎn)出來的就是組件。因此碲化鎘組件生產(chǎn)所需時間只有3.5小時，晶硅組件全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)時間則需要約三天。

三、全球碲化鎘技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)在，全球最大的碲化鎘企業(yè)是美國First Solar公司，另外兩家是中國企業(yè)——中建材和杭州龍焱，還有其他廠家的項目正在推進中。First Solar第四代組件效率約16.5%-17%，今年新的第六代大面積產(chǎn)品效率達到17.9%-18.8%，中建材是12%-13%之間，龍焱也是12%-13%之間。

中建材的生產(chǎn)線正在做生產(chǎn)調(diào)試，其尺寸介于五代到六代之間：1.6米×1.2米。龍焱以常規(guī)的尺寸為主，即1.2×0.6米，新的兩條產(chǎn)線仍然是四代的尺寸，有想法要做三倍的尺寸，但是新的兩條產(chǎn)線仍然是四代的尺寸。在生產(chǎn)成本上，F(xiàn)irst Solar目前保持著領先優(yōu)勢，已見報道的是1.3元/W，龍焱去年宣稱實現(xiàn)成本低于2元/W。單線產(chǎn)能上，F(xiàn)irst Solar G3的產(chǎn)能單線80MW，現(xiàn)的在G6一條產(chǎn)線350MW，因為面積大效率也更高；中建材的單線設計產(chǎn)能117MW，還沒有達成；龍焱新的產(chǎn)線是40MW，正在建。

碲化鎘光伏生產(chǎn)成本還可以做的更低，可以從產(chǎn)業(yè)和技術(shù)兩個方面實現(xiàn)：在產(chǎn)業(yè)上，F(xiàn)irst Solar已經(jīng)降低到這個水平，如果中國碲化鎘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來，可以充分發(fā)揮中國光伏全產(chǎn)業(yè)鏈的人才、設備、產(chǎn)業(yè)鏈配套等優(yōu)勢，有希望可以做的更低；技術(shù)上，碲化鎘技術(shù)無論是實驗室效率還是從產(chǎn)線的效率都有比較大提升的空間。

碲化鎘光伏技術(shù)的優(yōu)勢是碲化鎘結(jié)構(gòu)和成分非常單一，碲和鎘兩種單質(zhì)在一起，化合之后只有1:1的碲化鎘一種生成物。工藝窗口很寬，即在很寬的溫度、氣壓范圍內(nèi)都能夠得到高品質(zhì)碲化鎘材料，所以高效率碲化鎘電池有許多不同的制備方法。此外，碲化鎘飽和蒸氣壓相當?shù)?，很適合真空生產(chǎn)過程。

當前主流的生產(chǎn)技術(shù)路線：First Solar是氣相輸運法（VTD）技術(shù)路線。中建材、龍焱用的是近空間升華（CSS），玻璃基板加熱的溫度比原料溫度稍低， 碲化鎘原料從固態(tài)直接升華變成氣態(tài)，遇到玻璃板馬上凝結(jié)沉積。還有一種美國Reel Solar的電鍍方法，是在溫度低于水的沸點、約80攝氏度左右的含碲和鎘化合物的水溶液中陰極沉積碲和鎘，再用退火處理的方法得到高品質(zhì)碲化鎘的薄膜。

VTD的碲化鎘生產(chǎn)路線除了生產(chǎn)速度快，還不需要停機加料，對大型碲化鎘沉積設備加熱升溫和停機降溫時間都是以天來算的。VTD設備原理上可以比較好的避免生產(chǎn)中斷。以往VTD的核心專利由First Solar持有，但2018年1月VTD專利已經(jīng)過保護期，成為公開知識。

四、碲化鎘電池還可以怎么降成本

如果國內(nèi)掌握了大規(guī)模、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)，可以充分利用國內(nèi)健全的產(chǎn)業(yè)鏈，進一步降低薄膜光伏生產(chǎn)成本，技術(shù)方面碲化鎘仍然有很大的提升空間，雖然從2011年以來碲化鎘電池實驗室效率紀錄已經(jīng)九次被打破了，但是仍然有比較大的提升空間。

電池當前的世界紀錄和理論值間的差距，碲化鎘有八個百分點，還有比較大的提升空間。晶體硅只有四個百分點左右，銅銦鎵硒的提升空間也有八個百分點左右，但是生產(chǎn)可行性有待解決，需要在降低生產(chǎn)成本上做進一步的研究投入。碲化鎘生產(chǎn)成本已經(jīng)比較低，效率也還有比較大的提升空間。2011年以來的效率提升都是在電流提高上做的工作，且已經(jīng)做到理論極限，接下來必須在提高電壓方面進行研究工作。

碲化鎘的實驗室技術(shù)自2015年以來有很多突破，美國亞利桑那州立大學用分子束外延技術(shù)制備出碲化鎘單晶薄膜器件少子壽命達到3.6微秒，這個指標比GaAs還高；開路電壓高達1.12伏，比傳統(tǒng)的0.8~0.9V有明顯提高，已經(jīng)做到了理論開壓的90%以上。這從原理上證明碲化鎘材料作為光伏半導體材料沒有本征缺陷，是一種優(yōu)秀的光伏材料。

接下來的任務是將單晶里面高開壓碲化鎘的技術(shù)轉(zhuǎn)移到多晶薄膜中，科羅拉多州立大學在碲化鎘薄膜中，使用氧化鋁雙面鈍化技術(shù)，獲得了最高的載流壽命達到430納秒，2001年的世界紀錄碲化鎘電池的載流子壽命只有10納米，現(xiàn)在已經(jīng)提高了一個數(shù)量級。多晶碲化鎘薄膜電池開壓普遍超過900mV已經(jīng)是可以指日可待了，已有明確的進一步提高電壓和效率的技術(shù)路徑。

碲化鎘電池的優(yōu)勢

一、碲化鎘電池成本相對晶硅電池更低，所需材料厚度只有晶硅的1%。

二、碲化鎘電池需要的純度大概是四個9到五個9，晶體硅需要六個9以上，純度越高材料成本越高，所以材料成本有一定的優(yōu)勢。

三、高溫高濕的環(huán)境下，碲化鎘電池相對同效率晶硅組件有更多的發(fā)電量，最多總發(fā)電量可超過晶硅20%，普遍可以多發(fā)3%到5%。

四、碲化鎘電池生產(chǎn)時間短，只需要2-3小時，度電成本上已經(jīng)做到人民幣5毛錢以下。

五、效率提升的速度最近幾年比較快，未來提升的空間比晶硅電池大。

當然，這不是說碲化鎘要替代晶體硅，但是如果市場規(guī)模增大一個數(shù)量級，可以給市場帶來另一個可靠的選擇。