揭秘碲化鎘太陽(yáng)能電池：為什么它是下一個(gè)太陽(yáng)能電池的熱門選擇？

一、引言

太陽(yáng)能電池是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的裝置。它通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能。在滿足一定的照度條件下，它能夠瞬間輸出電壓，并在有回路的情況下產(chǎn)生電流。隨著人們對(duì)可再生能源的關(guān)注度不斷提高，太陽(yáng)能電池作為未來(lái)清潔能源的重要來(lái)源之一，成為一個(gè)熱門話題。目前，最常用的太陽(yáng)能電池是硅基太陽(yáng)能電池，但是它們存在一些限制，如成本高、重量大、難以制作柔性器件等。

為了克服這些問(wèn)題，科學(xué)家們正在研究新型太陽(yáng)能電池，其中一種備受關(guān)注的是碲化鎘太陽(yáng)能電池，它正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸受到研究者的青睞。那么，碲化鎘太陽(yáng)能電池究竟是何方神圣？它的制作原理、應(yīng)用領(lǐng)域又是什么呢？本文將帶你走進(jìn)碲化鎘太陽(yáng)能電池的世界，探究它為什么會(huì)成為下一個(gè)太陽(yáng)能電池的熱門選擇。

碲化鎘太陽(yáng)能電池

二、什么是碲化鎘和碲化鎘太陽(yáng)能電池？

碲化鎘是一種無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為CdTe，是一種重要的Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料。碲化鎘是一種棕黑色晶體粉末，不溶于水和酸，在硝酸中分解。它具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)0.6481nm，禁帶寬度1.5eV(25℃)，室溫電子遷移率1050Cm 2 /(V s)，室溫空穴遷移率80Cm 2/ (V s)，電子有效質(zhì)量0.096。CdTe可以通過(guò)摻入不同雜質(zhì)來(lái)獲取n型或p型半導(dǎo)體材料。當(dāng)用In取代Cd的位置，便形成n型半導(dǎo)體。當(dāng)用Cu、Ag、Au取代Cd的位置，形成p型半導(dǎo)體。對(duì)于CdTe單晶，10 17 cm -3 的摻雜濃度是可以得到的，更高濃度的摻雜以及精確控制摻雜濃度比較困難，特別是p型摻雜，雜質(zhì)在CdTe晶體中的溶解度極低。

碲化鎘

碲化鎘太陽(yáng)能電池是一種薄膜太陽(yáng)能電池，它的研究和發(fā)展始于20世紀(jì)中期。雖然其發(fā)展歷史相較于硅太陽(yáng)能電池略顯短暫，但憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，碲化鎘太陽(yáng)能電池在短短幾十年間取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，碲化鎘太陽(yáng)能電池已成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的一顆璀璨明星。

三、碲化鎘太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

碲化鎘太陽(yáng)能電池主要是利用薄膜沉積技術(shù)，將碲化鎘薄膜沉積在導(dǎo)電基底上，然后通過(guò)摻雜、蒸鍍等工藝，實(shí)現(xiàn)PN結(jié)的制作。

碲化鎘太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

碲化鎘太陽(yáng)能電池的工作原理主要是基于光電效應(yīng)。其光電轉(zhuǎn)換過(guò)程主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

吸收太陽(yáng)光：碲化鎘太陽(yáng)能電池通過(guò)吸收太陽(yáng)光來(lái)激發(fā)電子，從而產(chǎn)生電流。當(dāng)太陽(yáng)光線照射到碲化鎘太陽(yáng)能電池表面時(shí)，光子穿過(guò)玻璃或塑料基板，與碲化鎘薄膜中的電子發(fā)生相互作用，將電子從價(jià)帶中激發(fā)到導(dǎo)帶中，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

電子-空穴對(duì)的分離：在電場(chǎng)作用下，電子和空穴被分離，電子向負(fù)極移動(dòng)，而空穴向正極移動(dòng)。這種分離使得電子和空穴分別聚集在負(fù)極和正極上。

形成電流：聚集在負(fù)極和正極的電子和空穴通過(guò)導(dǎo)線連接形成電流。由于電子和空穴的移動(dòng)，它們?cè)陧诨k薄膜中產(chǎn)生電流，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。

四、碲化鎘太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)和不足

碲化鎘太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)有很多，其中包括：

1. 弱光性能好

CdTe是直接帶隙材料，對(duì)全光譜吸收都較好，所以在清晨、傍晚、積雪、積灰、霧霾等弱光條件發(fā)光效果明顯優(yōu)于間接帶隙的晶硅電池。

碲化鎘光伏玻璃

2. 溫度系數(shù)低

CdTe材料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都比較低，因此在高溫下工作時(shí)性能穩(wěn)定。碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的溫度系數(shù)約為-0.21~0.25%/℃，比晶體硅太陽(yáng)能電池低一半左右。這意味著在高溫環(huán)境下，碲化鎘太陽(yáng)能電池的發(fā)電量會(huì)比晶體硅太陽(yáng)能電池更高。

3. 轉(zhuǎn)換效率高

CdTe的禁帶寬度一般為1.47eV左右，這個(gè)寬度使得它的光譜響應(yīng)和太陽(yáng)光譜非常匹配，吸收率高，僅1微米(μm)厚就可以吸收90%以上的可見光，是單晶硅的1/100，非常適合于制作成薄膜太陽(yáng)電池的吸收層，是實(shí)現(xiàn)低成本和低能耗的重要前提。碲化鎘太陽(yáng)能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28~29%，技術(shù)發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｄ壳懊绹?guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室跟蹤的碲化鎘太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到了22.3%，組件效率已經(jīng)達(dá)到了19.47%。

4. 重量較輕

碲化鎘太陽(yáng)能電池的重量比單晶硅太陽(yáng)能電池輕得多，因此更適合用于太空和移動(dòng)設(shè)備上。

人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池

5. 容易制作

碲化鎘太陽(yáng)能電池的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，因此更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

6. 耐用性好

碲化鎘太陽(yáng)能電池的使用壽命較長(zhǎng)，一般可以達(dá)到20年以上。碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池組件的光譜吸收不覆蓋水蒸汽的吸收峰，因此不會(huì)像晶硅組件一樣在潮濕氣候下發(fā)電輸出下降。

碲化鎘太陽(yáng)能電池是一種具有許多優(yōu)點(diǎn)的新型太陽(yáng)能電池，但仍然存在一些不足之處，以下是一些主要的缺點(diǎn)：

1. 碲資源稀缺

碲是地球上的稀有元素，發(fā)展碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池面臨的首要問(wèn)題就是地球上碲的儲(chǔ)藏量是否能滿足碲化鎘太陽(yáng)能電池組件的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。碲原料稀缺，無(wú)法保證碲化鎘太陽(yáng)能電池的不斷增產(chǎn)的需求。

碲錠

2. 鎘的毒性

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池含有重金屬元素鎘，這可能對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生潛在影響。現(xiàn)有生產(chǎn)和應(yīng)用實(shí)踐表明，CdTe不溶于水，即便CdTe組件破碎，亦不會(huì)造成水污染；燃煤發(fā)電排出Cd和Hg，遠(yuǎn)超過(guò)CdTe組件里Cd的含量；有獨(dú)立第三方的分析認(rèn)為CdTe組件里的Cd和晶硅組件里的Pb對(duì)環(huán)境的影響相當(dāng)；First Solar公司稱自成立以來(lái)員工所有血液、尿液檢測(cè)，Cd含量都低于安全閾值。因此，對(duì)碲化鎘毒性的擔(dān)憂更多屬于心理層面，實(shí)踐中還是可以控制的。

3. 轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低

盡管碲化鎘太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較高，但是與一些其他類型的太陽(yáng)能電池相比，其轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，這可能會(huì)影響其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

4. 光衰減

碲化鎘太陽(yáng)能電池在長(zhǎng)時(shí)間使用后，其光電轉(zhuǎn)換效率可能會(huì)下降，即出現(xiàn)光衰減現(xiàn)象。

5. 脆性大

碲化鎘薄膜的脆性較大，容易在生產(chǎn)過(guò)程中破裂。

總的來(lái)說(shuō)，雖然碲化鎘太陽(yáng)能電池存在一些不足之處，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，相信這些問(wèn)題也將逐漸得到解決。今后還需要更多的研究和實(shí)踐，以推動(dòng)碲化鎘太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

五、碲化鎘太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

碲化鎘太陽(yáng)能電池在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 建筑光伏一體化

利用碲化鎘（CdTe）薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)與玻璃結(jié)合制成的“發(fā)電玻璃”最具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿?，且已在?guó)內(nèi)外多個(gè)建筑項(xiàng)目得到應(yīng)用，在降低建筑能耗及成本、減少二氧化碳排放、緩解建筑電力需求等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。利用碲化鎘太陽(yáng)能電池技術(shù)與大面積的玻璃立面、門窗相結(jié)合，使建筑玻璃也能夠產(chǎn)能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)建筑光伏一體化。這種應(yīng)用方式具有降低建筑能耗及成本、減少二氧化碳排放、緩解建筑電力需求等優(yōu)勢(shì)。

建筑光伏一體化

2. 柔性太陽(yáng)能電池

以聚酰亞胺等柔性材料為基底，碲化鎘太陽(yáng)能電池可以制備成輕便、可彎折的柔性薄膜。這種便捷的“輕量級(jí)“太陽(yáng)能電池可以降低運(yùn)輸和搭載的成本，在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)、航天器和人造衛(wèi)星上具有光明的應(yīng)用前景。

柔性薄膜太陽(yáng)能電池

3. 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

碲化鎘太陽(yáng)能電池可以用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用，如灌溉、溫室等。

4. 其他領(lǐng)域

碲化鎘太陽(yáng)能電池還可以應(yīng)用于太陽(yáng)能燈具、太陽(yáng)能充電器等領(lǐng)域。

太陽(yáng)能充電器

總的來(lái)說(shuō)，碲化鎘太陽(yáng)能電池具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，它的應(yīng)用前景將更加廣闊。

六、生產(chǎn)企業(yè)

在我國(guó)，致力于碲化鎘薄膜電池研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)包括龍焱能源科技(杭州)有限公司（與賽格股份合資成立賽格龍焱、與凱龍股份合資成立凱龍龍焱、與浙江能源合資成立浙能龍焱）、中建材（成都中建材光電、中國(guó)建材凱盛科技集團(tuán)等）、中山瑞科新能源有限公司等。其中，龍焱能源是最早進(jìn)行碲化鎘薄膜電池研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)之一，成立于2008年，其創(chuàng)始人吳選之從事太陽(yáng)能電池技術(shù)研究近40年，是中國(guó)第一條非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池中試生產(chǎn)線項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者，也是第一批享受國(guó)務(wù)院專家津貼的科技人員。龍焱能源在2011年建成了國(guó)內(nèi)第一條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和規(guī)模量產(chǎn)能力的全自動(dòng)化碲化鎘電池生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了碲化鎘薄膜光伏電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的全國(guó)產(chǎn)化。

龍焱能源科技公司

此外，全球知名的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池廠商有美國(guó)First Solar、AVA Solar、Toledo Solar、Reel Solar、通用電氣等企業(yè)，以及德國(guó)的Calyxo、Antec Solar、CTF Solar和意大利的ARENDI 等企業(yè)。越來(lái)越多的企業(yè)正在進(jìn)入碲化鎘太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，有望推動(dòng)該產(chǎn)品在市場(chǎng)上取得更好的表現(xiàn)。

First Solar 公司

七、結(jié)論

通過(guò)本文的介紹，相信大家對(duì)碲化鎘太陽(yáng)能電池有了更深入的了解。作為一種具有較高光吸收效率、弱光性能好、穩(wěn)定性好、制造成本低、應(yīng)用前景廣闊的太陽(yáng)能電池，碲化鎘太陽(yáng)能電池在未來(lái)的可再生能源領(lǐng)域中將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。我們期待有更多的投資和研究來(lái)推動(dòng)碲化鎘太陽(yáng)能電池的發(fā)展和應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，碲化鎘太陽(yáng)能電池將會(huì)在未來(lái)的能源領(lǐng)域創(chuàng)造更多的奇跡。讓我們共同期待這種神奇的太陽(yáng)能電池在未來(lái)為人類帶來(lái)更多的綠色能源與美好生活。

本文的撰寫過(guò)程中，參考一些文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資料，在此向作者表示感謝！由于本人學(xué)識(shí)的局限和資料來(lái)源的可靠性問(wèn)題，可能存在錯(cuò)誤或不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑瑲g迎讀者朋友們批評(píng)指正、交流探討。如果您對(duì)碲化鎘太陽(yáng)能電池有更深入的研究或獨(dú)特的見解，歡迎與我們一起分享和討論。