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关键材料科普系列 | 一文读懂什么是碲化镉
时间:2022-05-27 08:56:31浏览次数:220次

来源:稀金网 

 

绿色低碳是我国“十四五”期间重要发展目标,而太阳能电池则是实现这一目标主力军。在该行业发展的过程中,除了晶体硅电池备受关注之外,以碲化镉为原材料的薄膜电池同样受到业界聚焦。

No.1

碲化镉的产品特性和生长工艺

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,属于直接禁带类型,禁带宽度为1.5eV,室温电子迁移率为1050 Cm2/(Vs),室温空穴迁移率为80 Cm2/(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、酸,但能与硝酸作用而分解,在工业生产和使用过程中较为安全。值得一提的是,碲化镉与太阳光谱非常匹配,适合光电能量转换。有学者认为,全球在“碳素燃料文明时代”向“太阳能文明时代”过渡的未来几十年里,碲化镉将成为重要的战略储备资源之一。

 

行业内的碲化镉制备方法较多,制成产品一般分为单晶或多晶碲化镉。

单晶方面,主要有4种工艺方法:

1)把稀散金属碲、镉混合熔化,在氢气流中升华制成;

2)将镉的亚碲酸盐、碲酸盐在氢气流中加热还原而得;

3)通过碲化钠与被醋酸酸化的醋酸镉溶液作用,当从溶液中沉淀出时呈褐红色,待干燥后可生成黑色碲化镉晶体;

4)用碲化氢作用于镉蒸气,形成碲化镉单晶。

多晶方面,主要用纯度为99.9999%的碲和镉按元素质量比1:1称量,并将料装入涂碳石英管内,在真空度小于4×10-4Pa下进行物料脱氧,再在真空度小于2×10-4Pa下密封石英管,最后将密封好的石英管放入合成炉内进行多晶碲化镉合成。

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碲化镉

碲化镉的下游应用和相关市场规模

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,碲化镉被光伏界视为制备大尺寸太阳能薄膜电池的关键原材料。据统计,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28%,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-7N纯度的碲化镉。

 

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碲化镉薄膜电池制备流程

 

碲化镉薄膜电池是一种以P型CdTe和N型CdS(硫化镉)的异质结为基础,在玻璃衬底上依次沉积多层半导体薄膜而形成的光伏电池。其具有制造成本低、温度系数低、产品环保友好、理论转换效率高等优势。凭借独特的产品特性,碲化镉薄膜电池现已成为市占率最高的薄膜电池类型。据华创证券统计,2020年全球薄膜太阳电池的产量约为6.48GW,碲化镉薄膜电池的产量约为6.2GW,占比高达95.7%。目前,该类薄膜电池主要应用在光伏发电站、光伏建筑一体化(BIPV)领域,未来有望在汽车、电子设备等领域得到更多应用,预计市场发展潜力巨大。

 

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碲化镉薄膜电池组件需求测算表,图源:华创证券

 

随着国内建筑节能的政策体系在逐步完善,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,正是新一代绿色建筑材料,被誉为“挂在墙上的油田”。其与BIPV深度结合,可以用于建筑屋顶、幕墙等多种建筑结构上,并最大限度利用建筑的表面积增加有效发电面积,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BIPV政策的推动下,未来碲化镉薄膜组件及原材料的需求或进一步扩大。

No.3

碲化镉实现国产化

助力企业降低薄膜电池制造成本

业内人士指出,碲化镉薄膜电池技术产业化并不是一件单纯的技术工作,而是一项综合性很强的系统工程,想要实现该电池的量产,需要从电池原材料到电池制作设备以及生产技术逐步实现国产替代,打破国外“卡脖子”的局面 虽然薄膜类电池在整体的光伏电池市场中占比较小,但在节能建筑领域碲化镉薄膜电池已经表现出相对于晶硅光伏电池的较大优势。碲化镉作为该电池的关键材料,有望持续受到行业热捧,打开新一轮的需求上升空间。

 

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金属碲

 

 

 

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