[科普中国]-碲化镉光电池

CdTe（碲化镉）很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30%，是非常理想的光伏材料。碲化镉薄膜电池的设计简单，制作成本低，并且理论最高效率比硅电池的高。

目前许多公司正在深入研究CdTe薄膜太阳能电池，优化薄膜制备工艺，提高组件的稳定性，防范Cd对环境和操作者健康的危害，以实现大规模生产。

简介碲化镉是制造薄膜太阳能电池的一种非常重要的材料。碲化镉薄膜电池的设计简单，制作成本低，并且理论最高效率比硅电池的高。允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27%。此外，CdTe电池在高温条件下的使用效果比硅电池更好，因此是应用前景较好的一种新型太阳能电池，已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。

早在20世纪50年代中期，Jenny等人就对碲化镉单晶体的电子能带特性进行了阐述；而后在1959年，Nobel确定了Cd2Te相平衡、缺陷和CdTe半导体性质之间的关系，这一关系后来又被其他的研究组进一步的完善。基于N型CdTe单品和多晶膜的太阳能电池在20世纪60年代早期被制备出来，它们是用CdTe膜表面和铜酸盐溶液反应来形成CdTe/Cu，Te异质结。随后，在20世纪60~70年代，人们制成了基于P型CdTe单晶和蒸镀而成的N型CdS膜的光伏电池，用单晶CdTe制成的电池效率约为10%，而制成的全多晶薄膜CdTe/CdS电池的效率则更高。在这段时期，Bonnet在1972年也提出了CdTe/CdS电池需要解决的一些基本问题，如掺杂效率、突变结和缓变结、活性或非活性晶界以及低阻电极等。到20世纪80年代早期，人们已经用各种制备方法制成了转化效率接近或超过10%的上层配置型CdTe/CdS电池。截止到2004年，上层配置型CdTe电池的转化效率最高为16. 5%。玻璃是最常用的衬底材料，不过最近人们在努力研究发展基于聚酰亚胺( polyimide）和金属箔片的轻便型电池。基于玻璃衬底的CdTe电池的效率一般在10%~16%，转换率依赖于制备方法的多样性。而在金属和聚酰亚胺衬底上的CdTe轻便型电池的效率分别已经达到7. 8%和11%。这种轻便型太阳能电池具有高的特定功率，因而具有很多潜在的应用价值。目前，已获得相关太阳能电池的最高效率为16. 5%（1cm²） ，电池模块效率达到11%（0.94m²）。 ’

碲化镉电池尽管在成本上有一定的优势，但是同时也存在很多缺点。第一，在制备电池和使用过程中如果不幸发生火灾，有可能将电池中包含的毒性较大的Cd元素释放出来，将会造成环境危害。第二，Te的价格较高，使CdTe的制造成本一直居高不下。

许多公司正在深入研究CdTe薄膜太阳能电池，优化薄膜制备工艺，提高组件的稳定性，防范Cd对环境和操作者健康的危害，以实现大规模生产。1

碲化镉太阳电池制造和使用中的安全问题在碲化镉太阳电池刚刚取得引人注目的进展时，这种光伏器件在生产和使用中的毒性和对环境的影响就成了不可回避的问题。一些研究者很快就经实验验证，碲化镉不溶于水，在大气压下，升华温度接近500℃，它不会通过皮肤和呼吸道进入人体。

本世纪初，碲化镉薄膜已经实现产业化，布鲁克海文国家实验室的Fthenakis等人研究了碲化镉光伏组件的整个生命周期对环境的影响。他们从First Solar LLC.采集数据，然后同晶体硅及其他太阳电池进行对比，得出了十分可靠的结论（图3-23和图3-24）。

从图3-23可以看出，煤和石油发电排放的镉是最多的。在太阳电池中，碲化镉太阳电池的镉排放是最少的，不到晶体硅太阳电池排放量的一半。图3-24中列出了四种太阳电池对砷、铬、铅、汞和镍等几种金属的排放情况。图中方框内给出了估算依据的一些细节，如太阳电池的效率。图中浅蓝色柱状图为无边框的碲化镉太阳电池，它在其生命周期中，对重金属的排放比几种硅太阳电池低得多。2

其他主要光伏电池太阳能光伏电池最早由Bell实验室于1954年发明，目的是希望能为偏远地区提供供电系统的能源，那时太阳电池的效率只有6%。接着从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，太阳能光伏电池的应用得到快速发展。太阳能光伏电池的关键是光伏转换效率。目前，主要的太阳光伏电池及其转换效率如下：

晶体硅光电池（包括单晶硅与多晶硅）最高效率在AM1.5条件下为24%，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5%~18%，地面用大量生产的在AM1条件下多在11%~18%之间。

非晶硅光电池小面积转换效率为14.6%，大面积大量生产的为8%~10%，叠层结构的最高效率可达21%。

p—si光电池其转换效率为15.3%，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为12.6%~17.3%。

CIS（铜铟硒）薄膜光电池目前国际光伏界研究开发的热门课题之一，它具有转换效率高（已达到17.7%），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到2~3μm。

砷化镓光电池GaAs（砷化镓）光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%（一般在19.5%左右）。

InP（磷化铟）光电池这种电池的抗辐射性能特别好，效率达17%~19%，多用于空间方面。3

我国太阳能光伏产业的发展太阳能光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。从全球范围来看，产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加，整个光伏市场产业链呈金字塔形分布。目前，中国的光伏企业主要集中于产业链中下游，即电池片和电池组件两个环节，组件生产企业需要的技术含量相对不高，进入门槛较低，我国太阳能组件企业大概已有200家左右，但在光伏原料上主要依赖进口，企业抗风险能力较弱。

2002年至2007年，中国的太阳能光伏制造处于年平均增幅超过100%的高增长期，总体上中国已经成为仅次于日本和德国的第三大光伏制造国。2006年中国光伏电池产能已达到1600兆瓦，2007年光伏产能将比2006年翻一番，我国光伏产品90%出口海外，大约10%自用。截至2007年底，中国光伏产业已有10家企业实现海外上市，融资总额19.77亿美元，并有多家国内上市的光伏制造企业。我国最大的光伏产业在江苏省，约占全国光伏产业的70%。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学