一文读懂碲化镉发电玻璃

发布时间:2022-10-06 浏览量:2637 来源:光伏智库
绿色低碳是我国“十四五”期间重要发展目标,而光伏发电则是实现这一目标的主力军。在光伏行业快速发展的过程中,除了晶体硅电池备受关注之外,以碲化镉为吸收层的薄膜电池同样受到业界聚焦。
 
碲化镉
 
碲化镉(CdTe)是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,形状呈黑色晶体颗粒或粉末,熔点达1092℃,相对分子量240,晶体结构为闪锌矿型,具有直接跃迁型能带结构。其晶格常数为0.6481nm,禁带宽度为1.45eV,室温电子迁移率为1050 c㎡/(Vs),室温空穴迁移率为80 c㎡/(Vs)。碲化镉化学键的键能高达5.7eV,是镉元素在自然界中最稳定的化合态之一。因此,碲化镉在常温下化学性质稳定,且不溶于水、弱酸,在工业生产和使用过程中比较安全。
 
值得一提的是,碲化镉太阳电池的光谱响应与地面太阳光谱分布非常匹配,实际发电能力强。
 
碲化镉性能

碲化镉性能稳定,光能吸收系数高,通过掺入不同杂质能获取N型或P型半导体材料,可用于核辐射探测器(医学用)、红外电光调制器、红外探测器、红外透镜和窗口等器件制造。在光伏领域,碲化镉被视为制备大尺寸太阳能薄膜电池的关键原材料。仅仅2μm(微米)厚度的碲化镉薄膜,在标准AM1.5条件下光学吸收率超过90%,最高理论转换效率高达33%,因此太阳能成为碲化镉最大的应用领域。通常情况下,光伏行业需要用到5N纯度的碲化镉。
 
与其它太阳能电池相比,碲化镉薄膜太阳能电池结构比较简单;一般而言,传统结构由五层组成,即玻璃衬底、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极,如下图所示。
 
碲化镉薄膜太阳能电池的传统结构
▲ 碲化镉薄膜太阳能电池的传统结构
 
光伏组件是光伏发电系统的核心组成部分,薄膜电池现已发展出包括碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓(GaAs)、非晶硅薄膜、有机薄膜、钙钛矿等多种技术路线,碲化镉是目前为止市占率最高的薄膜组件,在薄膜组件中占比超过95%。
 
碲化镉薄膜太阳电池特点可总结为:
 
1、碲化镉的禁带宽度为1.45eV,是与地面太阳能光谱最匹配的太阳电池吸收层材料;
 
2、碲化镉是直接带隙材料,吸收系数> 105/cm,吸收系数高,是硅材料的100倍;
 
3、温度系数低:碲化镉禁带宽度高于晶硅,温度系数约为晶硅的一半,夏季组件的温度可超过65℃,由于温度升高造成的功率损失碲化镉组件要比晶硅组件少10%左右;
 
4、热斑效应小:碲化镉薄膜组件是长条子电池设计,减少了热斑效应,在提高发电能力的同时,改善了产品寿命和安全性;
 
5、色彩均匀,美观大方:大面积碲化镉光伏组件色彩均匀,美观,整体感强,特别适合于对美观要求较高的建筑;
 
6、发电效率高:碲化镉电池理论极限转化效率32%-33%;目前小面积电池光电转换效率世界记录为22.1%, 组件效率19%,并且还有较大的提升空间;
 
7、定制化程度高:可根据不同需求灵活定制颜色、图案、形状、尺寸、透光度等,逐步实现在建筑应用中用光伏发电建材替代传统建材的宏伟目标。
 
随着国内建筑节能的政策体系逐步完善,政府对建筑节能的重视程度明显提升。若要实现双碳目标,离不开光伏建筑一体化(BIPV)这个重要路径。2020年,我国住建部等7部委发布绿色建筑相关行动方案,方案以2022年新建绿色建筑占比70%为目标,要求引导政府投资工程率先采用绿色建材。通过碲化镉薄膜电池技术制备的碲化镉发电玻璃建材,正是新一代绿色建筑材料。
 
相比于晶硅组件,碲化镉薄膜组件具有吸收系数高、热斑效应小、弱光效应好、美观度高、可定制性强等特点,可以灵活应用用于建筑屋顶、幕墙等多种建筑结构上,并最大限度利用建筑的表面增加有效发电面积,满足多角度建筑发电需求,最终从源头上减少建筑碳排放。在利好政策推动下,未来碲化镉薄膜光伏组件的需求还将进一步扩大。

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