与晶硅光伏电池“脱钩”？美国大力推动薄膜电池技术

据报道，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。