揭秘碲化镉太阳能电池：为什么它是下一个太阳能电池的热门选择？

一、引言

太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的装置。它通过光电效应或者光化学效应，将光能转化为电能。在满足一定的照度条件下，它能够瞬间输出电压，并在有回路的情况下产生电流。随着人们对可再生能源的关注度不断提高，太阳能电池作为未来清洁能源的重要来源之一，成为一个热门话题。目前，最常用的太阳能电池是硅基太阳能电池，但是它们存在一些限制，如成本高、重量大、难以制作柔性器件等。

为了克服这些问题，科学家们正在研究新型太阳能电池，其中一种备受关注的是碲化镉太阳能电池，它正以其独特的优势逐渐受到研究者的青睐。那么，碲化镉太阳能电池究竟是何方神圣？它的制作原理、应用领域又是什么呢？本文将带你走进碲化镉太阳能电池的世界，探究它为什么会成为下一个太阳能电池的热门选择。

碲化镉太阳能电池

二、什么是碲化镉和碲化镉太阳能电池？

碲化镉是一种无机化合物，化学式为CdTe，是一种重要的Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料。碲化镉是一种棕黑色晶体粉末，不溶于水和酸，在硝酸中分解。它具有直接跃迁型能带结构，晶格常数0.6481nm，禁带宽度1.5eV(25℃)，室温电子迁移率1050Cm 2 /(V s)，室温空穴迁移率80Cm 2/ (V s)，电子有效质量0.096。CdTe可以通过掺入不同杂质来获取n型或p型半导体材料。当用In取代Cd的位置，便形成n型半导体。当用Cu、Ag、Au取代Cd的位置，形成p型半导体。对于CdTe单晶，10 17 cm -3 的掺杂浓度是可以得到的，更高浓度的掺杂以及精确控制掺杂浓度比较困难，特别是p型掺杂，杂质在CdTe晶体中的溶解度极低。

碲化镉

碲化镉太阳能电池是一种薄膜太阳能电池，它的研究和发展始于20世纪中期。虽然其发展历史相较于硅太阳能电池略显短暂，但凭借其独特的优点，碲化镉太阳能电池在短短几十年间取得了突飞猛进的发展。目前，碲化镉太阳能电池已成为太阳能电池领域的一颗璀璨明星。

三、碲化镉太阳能电池的结构和工作原理

碲化镉太阳能电池主要是利用薄膜沉积技术，将碲化镉薄膜沉积在导电基底上，然后通过掺杂、蒸镀等工艺，实现PN结的制作。

碲化镉太阳能电池的结构

碲化镉太阳能电池的工作原理主要是基于光电效应。其光电转换过程主要包括以下几个环节：

吸收太阳光：碲化镉太阳能电池通过吸收太阳光来激发电子，从而产生电流。当太阳光线照射到碲化镉太阳能电池表面时，光子穿过玻璃或塑料基板，与碲化镉薄膜中的电子发生相互作用，将电子从价带中激发到导带中，产生电子-空穴对。

电子-空穴对的分离：在电场作用下，电子和空穴被分离，电子向负极移动，而空穴向正极移动。这种分离使得电子和空穴分别聚集在负极和正极上。

形成电流：聚集在负极和正极的电子和空穴通过导线连接形成电流。由于电子和空穴的移动，它们在碲化镉薄膜中产生电流，从而将太阳能转化为电能。

四、碲化镉太阳能电池的优点和不足

碲化镉太阳能电池的优点有很多，其中包括：

1. 弱光性能好

CdTe是直接带隙材料，对全光谱吸收都较好，所以在清晨、傍晚、积雪、积灰、雾霾等弱光条件发光效果明显优于间接带隙的晶硅电池。

碲化镉光伏玻璃

2. 温度系数低

CdTe材料的热膨胀系数和导热系数都比较低，因此在高温下工作时性能稳定。碲化镉薄膜太阳能电池组件的温度系数约为-0.21~0.25%/℃，比晶体硅太阳能电池低一半左右。这意味着在高温环境下，碲化镉太阳能电池的发电量会比晶体硅太阳能电池更高。

3. 转换效率高

CdTe的禁带宽度一般为1.47eV左右，这个宽度使得它的光谱响应和太阳光谱非常匹配，吸收率高，仅1微米(μm)厚就可以吸收90%以上的可见光，是单晶硅的1/100，非常适合于制作成薄膜太阳电池的吸收层，是实现低成本和低能耗的重要前提。碲化镉太阳能电池的理论光电转换效率约为28~29%，技术发展潜力很大。目前美国可再生能源实验室跟踪的碲化镉太阳电池实验室效率已经达到了22.3%，组件效率已经达到了19.47%。

4. 重量较轻

碲化镉太阳能电池的重量比单晶硅太阳能电池轻得多，因此更适合用于太空和移动设备上。

人造卫星上的太阳能电池

5. 容易制作

碲化镉太阳能电池的制作工艺相对简单，因此更容易实现规模化生产。

6. 耐用性好

碲化镉太阳能电池的使用寿命较长，一般可以达到20年以上。碲化镉薄膜太阳能电池组件的光谱吸收不覆盖水蒸汽的吸收峰，因此不会像晶硅组件一样在潮湿气候下发电输出下降。

碲化镉太阳能电池是一种具有许多优点的新型太阳能电池，但仍然存在一些不足之处，以下是一些主要的缺点：

1. 碲资源稀缺

碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求。

碲锭

2. 镉的毒性

碲化镉薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，这可能对环境和人体健康产生潜在影响。现有生产和应用实践表明，CdTe不溶于水，即便CdTe组件破碎，亦不会造成水污染；燃煤发电排出Cd和Hg，远超过CdTe组件里Cd的含量；有独立第三方的分析认为CdTe组件里的Cd和晶硅组件里的Pb对环境的影响相当；First Solar公司称自成立以来员工所有血液、尿液检测，Cd含量都低于安全阈值。因此，对碲化镉毒性的担忧更多属于心理层面，实践中还是可以控制的。

3. 转换效率相对较低

尽管碲化镉太阳能电池的转换效率较高，但是与一些其他类型的太阳能电池相比，其转换效率相对较低，这可能会影响其在大规模生产中的应用。

4. 光衰减

碲化镉太阳能电池在长时间使用后，其光电转换效率可能会下降，即出现光衰减现象。

5. 脆性大

碲化镉薄膜的脆性较大，容易在生产过程中破裂。

总的来说，虽然碲化镉太阳能电池存在一些不足之处，但是随着技术的不断进步和应用领域的拓展，相信这些问题也将逐渐得到解决。今后还需要更多的研究和实践，以推动碲化镉太阳能电池技术的发展和应用。

五、碲化镉太阳能电池的应用

碲化镉太阳能电池在许多领域都有广泛的应用，以下是一些主要的应用领域：

1. 建筑光伏一体化

利用碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池技术与玻璃结合制成的“发电玻璃”最具竞争力和发展潜力，且已在国内外多个建筑项目得到应用，在降低建筑能耗及成本、减少二氧化碳排放、缓解建筑电力需求等方面具有显著优势。利用碲化镉太阳能电池技术与大面积的玻璃立面、门窗相结合，使建筑玻璃也能够产能发电，实现建筑光伏一体化。这种应用方式具有降低建筑能耗及成本、减少二氧化碳排放、缓解建筑电力需求等优势。

建筑光伏一体化

2. 柔性太阳能电池

以聚酰亚胺等柔性材料为基底，碲化镉太阳能电池可以制备成轻便、可弯折的柔性薄膜。这种便捷的“轻量级“太阳能电池可以降低运输和搭载的成本，在太阳能无人机、航天器和人造卫星上具有光明的应用前景。

柔性薄膜太阳能电池

3. 农业应用

碲化镉太阳能电池可以用于农业应用，如灌溉、温室等。

4. 其他领域

碲化镉太阳能电池还可以应用于太阳能灯具、太阳能充电器等领域。

太阳能充电器

总的来说，碲化镉太阳能电池具有广泛的应用前景和市场潜力，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，它的应用前景将更加广阔。

六、生产企业

在我国，致力于碲化镉薄膜电池研发及生产的企业包括龙焱能源科技(杭州)有限公司（与赛格股份合资成立赛格龙焱、与凯龙股份合资成立凯龙龙焱、与浙江能源合资成立浙能龙焱）、中建材（成都中建材光电、中国建材凯盛科技集团等）、中山瑞科新能源有限公司等。其中，龙焱能源是最早进行碲化镉薄膜电池研发及生产的企业之一，成立于2008年，其创始人吴选之从事太阳能电池技术研究近40年，是中国第一条非晶硅薄膜太阳能电池中试生产线项目的领导者，也是第一批享受国务院专家津贴的科技人员。龙焱能源在2011年建成了国内第一条具有完全自主知识产权和规模量产能力的全自动化碲化镉电池生产线，实现了碲化镉薄膜光伏电池产业化技术的全国产化。

龙焱能源科技公司

此外，全球知名的碲化镉薄膜太阳能电池厂商有美国First Solar、AVA Solar、Toledo Solar、Reel Solar、通用电气等企业，以及德国的Calyxo、Antec Solar、CTF Solar和意大利的ARENDI 等企业。越来越多的企业正在进入碲化镉太阳能电池领域，有望推动该产品在市场上取得更好的表现。

First Solar 公司

七、结论

通过本文的介绍，相信大家对碲化镉太阳能电池有了更深入的了解。作为一种具有较高光吸收效率、弱光性能好、稳定性好、制造成本低、应用前景广阔的太阳能电池，碲化镉太阳能电池在未来的可再生能源领域中将会扮演越来越重要的角色。我们期待有更多的投资和研究来推动碲化镉太阳能电池的发展和应用。随着科技的不断进步，我们有理由相信，碲化镉太阳能电池将会在未来的能源领域创造更多的奇迹。让我们共同期待这种神奇的太阳能电池在未来为人类带来更多的绿色能源与美好生活。

本文的撰写过程中，参考一些文献和网络资料，在此向作者表示感谢！由于本人学识的局限和资料来源的可靠性问题，可能存在错误或不严谨的地方，欢迎读者朋友们批评指正、交流探讨。如果您对碲化镉太阳能电池有更深入的研究或独特的见解，欢迎与我们一起分享和讨论。