据Grist.org网站报道,如今覆盖屋顶、田野和沙漠的大多数太阳能电池板都有相同的成分:晶体硅。其原材料是多晶硅,被加工成晶圆并制成光伏电池,将阳光转化为电能。但是近年来,太阳能行业对这种单一技术的依赖正在成为一种负担,供应链瓶颈正在减缓全球部署新太阳能装机的速度。
幸运的是,晶体硅并不是唯一可以利用太阳能量的材料。在美国,科学家和制造商正在努力扩大碲化镉太阳能技术的生产。碲化镉是一种“薄膜”太阳能电池,顾名思义,它比传统的硅电池薄得多。如今,使用碲化镉的电池板供应了美国公用事业规模市场的40%左右,以及全球太阳能市场的5%左右。
能源咨询公司Wood Mackenzie指出,光伏产业进入了非常不稳定的时期,尤其是对晶体硅供应链而言。未来一年,碲化镉制造商有很大的潜力占据更多的市场份额。
今年6月,美国太阳能制造商First solar表示将在俄亥俄州西北部投资6.8亿美元建设第三家碲化镉太阳能工厂。2025年该设施建成后,该公司将能够生产6吉瓦的太阳能电池板。这足以为大约100万美国家庭供电。另一家位于俄亥俄州的托莱多太阳能公司最近进入市场,正在为住宅屋顶生产碲化镉电池板。美国能源部及其国家可再生能源实验室(NREL)启动了一项2000万美元的计划,以加速碲化镉的研究和供应链的发展,目标是帮助美国太阳能市场发展免受全球供应链的限制。
NREL和First Solar的研究人员自20世纪90年代初开始合作开发碲化镉技术。镉和碲分别是冶炼锌矿石和精炼铜的副产品。硅晶片被连接在一起制成电池,镉和碲被作为一层薄薄的材料——大约是人头发直径的十分之一——与其他导电材料一起应用到玻璃上。First Solar是目前世界上最大的薄膜制造商,向45个国家出口薄膜电池组件。
NREL的科学家洛雷尔·曼斯菲尔德(Lorelle Mansfield)说,与晶体硅相比,该技术具有某些优势。例如,薄膜工艺比基于晶圆的方法需要更少的材料。薄膜技术也非常适合用于柔性面板,如覆盖背包或无人机的面板,或集成到建筑外墙和窗户中的面板。重要的是,薄膜面板在高温下性能更好,而硅面板可能过热导致发电效率变低。
但晶体硅在其他领域占上风,比如它们的平均效率(太阳能电池板吸收并转化为电能的阳光百分比)较高。从历史上看,硅电池板的效率高于碲化镉技术,但差距正在缩小。今天工业生产的硅电池板的效率可以达到18%到22%,而First Solar报告其最新商业电池板的平均效率为18%。
不过,硅主宰全球市场的主要原因相对简单:一切都归结为成本。生产每瓦太阳能的晶体硅成本约为0.24至0.25美元,低于其他技术路径。First Solar表示,它不再报告生产碲化镉电池板的每瓦成本,只是自2015年以来成本“大幅下降”(当时该公司报告的成本为每瓦0.46美元),并且每年都在下降。多晶硅原材料也用于电脑和智能手机,比镉和碲的供应更广泛,价格也更低。随着硅面板和相关组件工厂的扩大,制造和安装这项技术的总成本已经下降,目前世界晶硅制造供应链的80%左右都在中国。
随着制造业的扩张,碲化镉和其他薄膜技术的每瓦特成本预计也会下降。First Solar表示,当其俄亥俄州的新生产线设施启用时,该公司将在整个太阳能市场上提供最低的每瓦成本。但成本并不是唯一重要的指标,太阳能行业当前面临的供应链问题表明了这一点。
First Solar首席执行官马克·维德马尔(Mark Widmar)表示,该公司计划耗资6.8亿美元进行扩张,这是为建立自给自足的供应链和使美国太阳能产业与中国“脱钩”而做出的更大努力的一部分。该公司现有的太阳能电池板回收计划允许其多次重复使用材料,进一步减少对外国供应链和原材料的依赖。
First Solar和NREL的科学家们继续测试和改进碲化镉技术,合作开发了一种新方法,将薄膜材料与铜和氯“掺杂”,以实现更高的效率。NREL宣布了在科罗拉多州Golden的户外设施进行的为期25年的现场测试结果。一个由碲化镉面板组成的12个面板阵列以其原始效率的88%运行,与硅系统的性能一致。NREL表示其目标不是用碲化镉取代晶体硅,也不是建立一种优于另一种的技术,它们在市场上都有一席之地,而且它们都有各自的应用。
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