碲化镉（Cadmium telluride, CdTe）光伏产品描述了一种光伏（PV）技术，该技术基于碲化镉的使用，碲化镉是一种薄的半导体层，旨在吸收阳光并将其转化为电能。 碲化镉PV是唯一的薄膜技术，其成本低于数千瓦系统中由晶体硅制成的传统太阳能电池。
在生命周期的基础上，CdTe PV具有最小的碳足迹，最低的用水量和所有太阳能技术的最短能量回收时间。 CdTe的能源回收期不到一年，可以在没有短期能源短缺的情况下更快地减少碳排放。
镉的毒性是CdTe模块在其使用寿命结束时再循环所缓解的环境问题，尽管仍存在不确定性，并且公众舆论对此技术持怀疑态度。 稀有材料的使用也可能成为中期未来CdTe技术的工业可扩展性的限制因素。 碲（其中碲化物是阴离子形式）的丰度与地壳中的铂相当，并且显着增加了模块的成本。
CdTe光伏发电在世界上一些最大的光伏发电站中使用，例如Topaz Solar Farm。 2013年，CdTe技术占全球光伏产量的5.1％，占薄膜市场的一半以上。一家着名的CdTe薄膜技术制造商是位于亚利桑那州坦佩市的First Solar公司。
背景
占主导地位的光伏技术一直以晶体硅晶片为基础。 薄膜和聚光器是降低成本的早期尝试。 薄膜基于使用更薄的半导体层来吸收和转换太阳光。 集中器通过使用透镜或镜子来减少面板的数量，从而在每个面板上放置更多的阳光。
要广泛开发的第一种薄膜技术是非晶硅。 然而，该技术的效率低，沉积速度慢（导致高资本成本）。 相反，光伏市场在2007年达到了约4千兆瓦，晶体硅占销售额的近90％。 据同一消息来源估计，2007年安装了约3千兆瓦。
在此期间，碲化镉和铜铟二硒化物或CIS合金仍处于开发阶段。 由于实验室中非常高的小面积电池效率接近20％，后者开始以每年1-30兆瓦的量生产。 实验室的CdTe电池效率接近20％，截至2016年为22.1％。
历史[编辑]
CdTe的研究可以追溯到20世纪50年代，因为它的带隙（~1.5 eV）几乎完全匹配太阳光谱中光子在电转换方面的分布。 发展了一种简单的异质结设计，其中p型CdTe与n型硫化镉（CdS）相匹配。 通过添加顶部和底部触点完成电池。 早期的CdS / CdTe电池效率领先者是20世纪60年代的GE，然后是柯达，Monosolar，Matsushita和AMETEK。
到1981年，柯达使用近距离升华（CSS）并制造了前10％[需要澄清]细胞和第一个多细胞装置（12个细胞，8％效率，30 cm2）。 Monosolar和AMETEK使用电沉积，这是一种流行的早期方法。 松下从丝网印刷开始，但在20世纪90年代转向CSS。 20世纪80年代早期，柯达，松下，Monosolar和AMETEK生产了约10％的阳光 – 电能效率的电池。
当细胞按比例放大以制造称为模块的更大面积产品时，向前迈出了重要的一步。 这些产品需要比小电池更高的电流，并且发现称为透明导电氧化物（TCO）的附加层可以促进电流在电池顶部（而不是金属栅格）的移动。 一种这样的TCO，氧化锡，可用于其他用途（热反射窗）。 对于PV更具导电性，氧化锡成为并且仍然是CdTe PV模块的标准。
1992年，通过向TCO / CdS / CdTe叠层添加缓冲层，然后使CdS变薄以允许更多的光，CdTe电池在1992年达到了15％以上[需要澄清]。 Chu使用电阻性氧化锡作为缓冲层，然后将CdS从几微米减薄到厚度小于半微米。 如在现有装置中使用的那样，厚CdS阻挡约5mA / cm 2的光，或约为CdTe装置可用光的20％。 附加层不会损害设备的其他属性。
在20世纪90年代早期，其他球员的结果好坏参半。 Golden Photon使用喷雾沉积技术在NREL测量的最佳CdTe模块的短期内保持了7.7％的记录。 Matsushita声称使用CSS获得了11％[需要澄清]模块效率，然后放弃了该技术。 BP Solar最终也出现了类似的效率和命运。 BP使用电沉积（当它购买SOHIO，Monosolar的收购者时，通过迂回路线从Monosolar继承）。 BP Solar于2002年11月放弃了CdTe.Antec能够制造约7％的高效模块，但在2002年短暂的市场低迷时开始商业化时破产。但是，截至2014年，Antec仍然制造了CdTe光伏组件。
CdTe初创公司包括Calyxo（前身为Q-Cells），PrimeStar Solar，位于科罗拉多州Arvada（由GE收购First Solar），Arendi（意大利）。 包括Antec在内，其总产量每年不到70兆瓦。 Empa是瑞士联邦材料测试和研究实验室，专注于在柔性基板上开发CdTe太阳能电池，并分别证明柔性塑料箔和玻璃基板的电池效率分别为13.5％和15.6％。
SCI和First Solar [编辑]
主要的商业成功是由Solar Cells Incorporated（SCI）提供的。 其创始人哈罗德麦克马斯特（Harold McMaster）设想了大规模制造的低成本薄膜。 在尝试非晶硅之后，他在Jim Nolan的催促下转移到了CdTe，并成立了Solar Cells Inc.，后来成为First Solar。 McMaster因其高速率，高通量处理而支持CdTe。 SCI从CSS方法的改编转移到蒸汽传输。 1999年2月，麦克马斯特将公司卖给了True North Partners，后者将其命名为First Solar。
在早期，First Solar遭遇挫折，初始模块效率适中，约为7％。 商业产品于2002年上市。2005年产量达到25兆瓦。该公司在佩里斯堡，俄亥俄州和德国生产。 2013年，First Solar收购了GE的薄膜太阳能电池板技术，以换取该公司1.8％的股份。 今天，First Solar生产超过3千兆瓦，2016年平均模块效率为16.4％。
技术
电池效率
2014年8月，First Solar宣布推出转换效率为21.1％的设备。 2016年2月，First Solar宣布他们的CdTe电池转换效率达到创纪录的22.1％。 2014年，First Solar也将记录模块的效率从16.1％提高到17.0％。 目前，该公司预计到2017年其CdTe PV的平均生产线模块效率将达到17％，但到2016年，他们预计模块效率接近~19.5％。
由于CdTe具有用于单结器件的最佳带隙，因此在实际的CdTe电池中可以实现接近20％的效率（例如已经在CIS合金中示出的）。
流程优化[编辑]
流程优化可提高吞吐量并降低成本。 改进包括更广泛的基板（因为资本成本可以线性地降低，安装成本可以降低），更薄的层（节省材料，电力和处理时间）和更好的材料利用（节省材料和清洁成本）。 2014年CdTe模块成本约为每平方米72美元（11平方英尺），或每个模块约90美元。
环境温度[编辑]
模块效率在实验室中在25°C的标准测试温度下测量，但是现场模块经常暴露在更高的温度下。 CdTe相对较低的温度系数可在较高温度下保护性能。 CdTe光伏组件的晶体硅模块减少了一半，每年的能量输出增加了5-9％。
太阳能跟踪[编辑]
到目前为止，几乎所有的薄膜光伏模块系统都是非太阳能跟踪系统，因为模块输出太低而无法抵消跟踪器资本和运营成本。 但相对便宜的单轴跟踪系统每安装瓦特可以增加25％的输出功率。 此外，根据跟踪器能量增益，可以通过降低系统成本和环境影响来提高光伏系统的整体生态效率。 这与气候有关。 跟踪还可以在中午产生更平滑的输出平台，更好地匹配下午的峰值。
物料
镉[编辑]
镉（Cd）是一种被认为是有害物质的有毒重金属，是锌精炼过程中锌的硫化矿石的开采，冶炼和精炼的废物副产品，因此其生产不依赖于光伏市场的需求。 CdTe光伏组件为镉提供了有益和安全的使用，否则将被储存以备将来使用或作为危险废物弃置在垃圾填埋场中。 采矿副产品可转化为稳定的CdTe化合物，并可安全封装在CdTe PV太阳能组件内多年。 CdTe光伏产业的大幅增长有可能通过取代煤炭和石油发电来减少全球镉排放。
碲[编辑]
碲（Te）产量和储量估算值存在不确定性，且差异很大。 碲是一种稀有的，轻度有毒的非金属，主要用作钢的加工添加剂。 Te几乎完全是作为铜精炼的副产品获得的，其中铅和金的产量较少。 只有少量，估计每年约800公吨。 据USGS称，2007年全球产量为135公吨。 一千兆瓦（GW）的CdTe PV模块将需要约93公吨（在电流效率和厚度下）。 通过提高材料效率和增加光伏回收，CdTe光伏产业有可能在2038年之前完全依赖回收的报废模块中的碲。在过去的十年[何时？]，新的供应已被定位，例如，新居，中国以及墨西哥和瑞典。 1984年，天体物理学家发现碲是宇宙中含量最多的元素，原子序数超过40个。某些海底山脊富含碲。
氯化镉/氯化镁[编辑]
CdTe电池的制造包括具有氯化镉（CdCl 2）的薄涂层
2）增加电池的整体效率。 氯化镉是有毒的，相对昂贵且在水中高度可溶，在制造过程中构成潜在的环境威胁。 2014年，研究发现了丰富而无害的氯化镁（MgCl 2
2）表现与氯化镉一样。 这项研究可能会导致更便宜和更安全的CdTe细胞。
安全[编辑]
镉和碲本身具有毒性和致癌性，但CdTe形成高度稳定的晶格，比镉毒性低几个数量级。 围绕CdTe材料的玻璃板夹在它们之间（如在所有商业模块中）在火灾期间密封并且不允许任何镉释放。 与镉相关的所有其他用途和暴露都是次要的，与更广泛的光伏价值链中其他材料的暴露类似，如有毒气体，铅焊料或溶剂（大多数不用于CdTe制造） 。
回收[编辑]
由于光伏发电的指数增长，全球安装的光伏系统数量显着增加。 First Solar于2005年在光伏产业中建立了第一个全球和综合回收计划。其回收设施在First Solar的每个制造工厂运行，并回收高达95％的半导体材料，以便在新模块中重复使用，90％的玻璃用于再利用新的玻璃制品。 斯图加特大学对CdTe模块回收的生命周期评估显示，生命终期的一次能源需求从81 MJ / m2降至-12 MJ / m2，减少约93 MJ / m2，以及全球变暖潜势从6千克二氧化碳当量/平方米到-2.5二氧化碳当量/平方米减少约-8.5二氧化碳当量/平方米。 这些减少显示出CdTe光伏模块的整体环境特征的非常有益的变化。 LCA还表明，考虑环境影响类别的主要因素是由于CdTe模块加工过程中所需的化学品和能源。
晶界[编辑]
晶界是晶体材料的两个晶粒之间的界面，并且当两个晶粒相遇时发生。 它们是一种晶体缺陷。 通常认为，与单晶GaAs和理论极限相比，CdTe中看到的开路电压间隙可以某种方式归因于材料内的晶界。 然而，已有许多研究表明，不仅GB对性能没有害处，而且实际上可能有益于作为增强载体收集的来源。 因此，晶界在限制CdTe基太阳能电池性能方面的确切作用仍不清楚，正在进行研究以解决这个问题。
市场可行性
碲化镉PV的成功归功于CdTe技术可实现的低成本，通过将足够的效率与较低的模块面积成本相结合而成为可能。 2013年，CdTe光伏组件的直接制造成本达到每瓦0.57美元，每瓦新产能的资本成本接近每瓦0.9美元（包括土地和建筑物）。
值得注意的系统[编辑]
据称，公用事业规模的CdTe光伏解决方案能够与峰值化石燃料发电源竞争，具体取决于辐照度水平，利率和其他因素，如开发成本。据称，大型First Solar CdTe光伏系统的最新安装与其他太阳能形式：
First Solar位于亚利桑那州的290兆瓦（MW）Agua Caliente项目是有史以来最大的光伏电站之一。 Agua Caliente具有First Solar的工厂控制，预测和能源调度功能，有助于提高电网的可靠性和稳定性。
位于加利福尼亚州的550兆瓦Topaz太阳能农场于2014年11月完工，是当时世界上最大的太阳能发电场。
First Solar在迪拜的13兆瓦项目由迪拜水电局负责运营，是穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆太阳能公园的第一部分，是该地区2013年建成时最大的光伏电站。
Juwi集团在德国Waldpolenz太阳能公园安装的40兆瓦系统是公布的，是世界上规模最大，成本最低的光伏系统。 价格是1.3亿欧元。
位于德国勃兰登堡Templin的Belectric公司安装的128 MWp系统是目前欧洲最大的薄膜光伏装置（截至2015年1月）。
对于加利福尼亚的21兆瓦布莱斯光伏电站，电力购买协议将发电价格定为每千瓦时0.12美元（在应用所有激励措施后）。 在加利福尼亚定义为“市场参照价格”，这设定了PUC将为任何日间峰值电源（例如天然气）支付的价格。 虽然光伏系统是间歇性的，并且不像天然气那样可调度，但天然气发电机具有PV所不具备的持续燃料价格风险。
与南加州爱迪生公司签订的两兆瓦屋顶设施合同。 经过激励措施后，SCE计划的目标是安装250兆瓦，总成本为8.75亿美元（平均为3.5美元/瓦）。