本文根據劉向鑫博士在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：

一是光伏產業產能到底有沒有過剩？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年要基本實現社會主義現代化，而現代化和用電水平直接相關。生態環境根本好轉、美麗中國基本實現，要實現環境友好的現代化。推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳安全高效的能源體系，發展新能源將是愿景中的重要部分。

2016年我國全社會發電量約6萬億度，如果全部使用光伏發電，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，但是短期內不可能所有的用電都來自光伏，應該盡量爭取能源結構多元化，光伏和其他清潔能源在我國能源結構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。

為什么社會現代化程度和光伏有關系？《Handbook of Photovoltaic Sci. and Eng.》這本書給出了聯合國公布的國家人類發展指數與國家人均用電量分布圖。縱軸是人類發展指數，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，表明發展指數越高，但這是一個無限逼近1的函數。我國在2000年人均全社會用電量不足1000度，發達國家是每人每年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，分別記錄電網輸入電量和光伏發電賣出的電量，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、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自用，如果按7元/W的系統成本僅需要3萬元，所以對于家庭而言安裝光伏發電的成本其實并不大。

現在我國人均全社會年用電量水平約4000-5000度，如果要基本實現現代化，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度的光伏發電量，相當于1300GW到1500GW的總增量，基本上符合我國能源局規劃的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，但是對于光伏行業來說這將是一個巨大的市場，依據這個規劃將從現在的總安裝量130GW還要再增加一個數量級（10倍）。

二、為什么說碲化鎘適合大規模應用

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

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

在產業化方面，傳統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發布第六代、功率達到420W的以上組件產品，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，和液晶面板產業類似。設備的折舊成本隨尺寸增加呈現下降的逼近曲線關系，現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，應用中可節省系統成本和安裝成本。已經有不同廠家開始籌劃制造更大尺寸的組件產品。類似液晶面板產業以面積增加形成的代際提升趨勢已經開始呈現。

最近“5.31新政”出臺以后，光伏組件售價持續下降，7月份已經出現了1.8元/W的售價，而成本2018上半年已經降低到了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，要找規律還需要看比較長時期的歷史數據。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量級呈線性下降，就是產業規模要以數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可以達到1.3元/W的生產成本，仍然可以和“5.31新政”后預測的低價晶硅組件競爭。 平價上網不只是組件和系統成本，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年最低的上網報價是內華達州的3.87美分，即0.28元人民幣/千瓦時，現在度電的水平在6美分到4美分每度的范圍，可以和煤電、燃氣發電競爭抗衡了，到這個水平就算得上是平價上網了，已經和傳統電力成本相當的。這是在集中式地面電站的數據。

國外碲化鎘大規模的應用已經比較普遍，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，應用的規模之大已經不是小眾技術。此外，碲化鎘半透明組件也應用到了建筑光伏一體化領域，可以做出藝術圖案效果，在差異化應用的場景中碲化鎘薄膜技術也得到了推廣。

在發電能力方面，同樣標準功率下在不同光照的地區，碲化鎘年發電量比晶硅更有優勢。就中國大部分區域模擬計算結果而言，碲化鎘相對同樣標稱功率的晶硅系統應該至少有3%到5%的發電量增益；在高溫高濕的熱帶氣候環境中，發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。

在電池結構上，晶硅和碲化鎘沒有本質上的區別。但晶體硅需要達到150微米，碲化鎘只需要2-3微米。在生產工藝上晶硅和碲化鎘卻有很大的區別：晶硅產業鏈至少分硅料生產、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線，生產出來的就是組件。因此碲化鎘組件生產所需時間只有3.5小時，晶硅組件全產業鏈生產時間則需要約三天。

三、全球碲化鎘技術發展現狀

現在，全球最大的碲化鎘企業是美國First Solar公司，另外兩家是中國企業——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。

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

碲化鎘光伏生產成本還可以做的更低，可以從產業和技術兩個方面實現：在產業上，First Solar已經降低到這個水平，如果中國碲化鎘光伏產業發展起來，可以充分發揮中國光伏全產業鏈的人才、設備、產業鏈配套等優勢，有希望可以做的更低；技術上，碲化鎘技術無論是實驗室效率還是從產線的效率都有比較大提升的空間。

碲化鎘光伏技術的優勢是碲化鎘結構和成分非常單一，碲和鎘兩種單質在一起，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、氣壓范圍內都能夠得到高品質碲化鎘材料，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低，很適合真空生產過程。

當前主流的生產技術路線：First Solar是氣相輸運法（VTD）技術路線。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， 碲化鎘原料從固態直接升華變成氣態，遇到玻璃板馬上凝結沉積。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碲化鎘的薄膜。

VTD的碲化鎘生產路線除了生產速度快，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

如果國內掌握了大規模、穩定、連續生產的技術，可以充分利用國內健全的產業鏈，進一步降低薄膜光伏生產成本，技術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，但是生產可行性有待解決，需要在降低生產成本上做進一步的研究投入。碲化鎘生產成本已經比較低，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，比傳統的0.8~0.9V有明顯提高，已經做到了理論開壓的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轉移到多晶薄膜中，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，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，現在已經提高了一個數量級。多晶碲化鎘薄膜電池開壓普遍超過900mV已經是可以指日可待了，已有明確的進一步提高電壓和效率的技術路徑。

碲化鎘電池的優勢

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勢。

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

四、碲化鎘電池生產時間短，只需要2-3小時，度電成本上已經做到人民幣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，但是如果市場規模增大一個數量級，可以給市場帶來另一個可靠的選擇。