一文读懂碲化镉发电玻璃

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（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

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。