老美为何想起要来竞争“低端半导体”——光伏

01

第二代技术该不该跟？

太阳的能量无处不不在，且与地球万物共生共存，但想让它变为完完全全的清洁能源为人类所用，过程总是没那么理想化。

以现在技术最成熟的晶硅太阳能电池为例，无论在沙漠戈壁或旷野平原建成了多大面积的“玻璃海”，晶硅太阳能电池仍然会面临两个瓶颈：一是大面积的晶硅电池光电转化效率难以突破26%，二是现在常见的晶硅电池组件普遍是又重又厚、韧性差，一遇到卫星、航空、住家等轻量化应用场景就不行。

晶硅电池是指以硅片为衬底，由P型与N型半导体接合而成的，当硅片表面形成PN结后，在两面引出电极构成太阳电池，阳光照射到太阳电池时，就会产生电势。由此也衍生除了多个光伏产品路线，比如主流的P型PERC（发射极钝化和背面接触）电池，国内厂商看好的N型分支中的TOPCon电池以及N型HJT（异质结）等等，先按下不表。 

太阳能光伏电池技术路线大致分类（需去水印）

作为太阳能光伏电池的第一代技术，晶硅电池暂时卷不出什么一骑绝尘的产品路线，但是碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池就不一样了。

在说它的优势之前，海外国家的动向倒是可以作为参照。

2024年8月9日，拜登政府头号政绩——美国芯片法案推出2周年之际，美国白宫发布了一个标题和行文都很浮夸的文件——《事实证明：《芯片与科学法案》颁布两年后，拜登-哈里斯政府将半导体供应链带回美国的政策取得值得庆祝的历史性成就，它创造了就业，支持了创新，而且保障了国家安全》。

这篇标题冗长的文章全方位“”赞美“”了芯片法案取得的成绩，并大胆预测2032年美国将生产占全球近30%的尖端芯片。

我国的光伏产业规模在全球市场的竞争力毋庸置疑，但说到底，光伏不过是“低端半导体”，具备半导体硅片生产技术的欧美国家想要进入市场所面临的技术壁垒并不高。

而欧美策略是什么呢，是想通过差异化技术路线突围而出。比如2022年美国发布的5600万美元光伏资助，其中2900万美元用于促进钙钛矿等光伏电池制造项目；剩下的2700万美元，正是流向了区别于多晶硅路线的碲化镉太阳能电池板行业。

02

天生的吸光优势

不久前，国内薄膜电池生产头部企业成都中建材光电材料公司在业内展会上，展出了一块1.92平方米的“发电玻璃”，它的年发电量可达310度。虽然转换效率目前只有16%，但却能比传统光伏组件更有“性价比”。

河北沐天光伏科技公司的负责人曾算过一笔账，一般情况下一千瓦的晶硅光伏电池板在华北地区大约平均每天发电4-5度，合1平方米平均每天发电0.4度左右，一年的话就是140-180度电。对比来看，十几块这样的发电玻璃就能满足一个家庭一年的用电需求，如果要在自家屋顶铺设光伏，你会选哪种？ 

这块能发电的“玻璃”，就是碲化镉薄膜太阳能电池。称其为玻璃是因为够薄，它的结构好比“三明治”，在两块超白高透的玻璃之间，均匀沉积一层只有千分之一毫米厚的碲化镉薄膜。如前所述，目前大部分的太阳能发电利用都是建立在硅的基础上，而碲化镉薄膜吸收光的能力远在硅片之上，因此吸收层不需要像硅那样厚。当太阳光照射到薄膜层时，这层碲化镉薄膜就可以吸收照射在上面大约90%的光，薄膜层中会跟着产生电子运动，“变身”可发电的半导体。

严谨点说，发电的也并非玻璃，而是这层碲化镉薄膜，但和常见的晶硅电池相比，它不仅轻薄，更具有透光的特性，非常适合用来替代城市写字楼的玻璃幕墙，或者制成其他柔性光伏面板。

薄膜电池做柔性电池板要容易许多

任何光伏组件都是为了尽可能的吸收太阳光来激发电子，从而产生电流，吸光和透光本身就是矛盾的，增加透光度就意味着会引起光电转换能力不足，发电量降低。不过碲化镉本就有透光的特性，配合制作技术的加持，做建筑玻璃还能阻挡外部红外线进入和内部热能的散失。 

另一方面，虽然现在碲化镉电池实际产品组件的转换效率最高也没超过19.5%，可它的进步空间真不小。碲化镉属于直接禁带类型的半导体材料，它的禁带宽度（带隙）一般为1.47eV左右，这个带隙概念《电脑报》之前的文章也已经讲过，这里我们只说结论：带隙能影响碲化镉吸收光谱的范围和效率，恰巧也使得它的光谱响应和太阳光谱非常匹配，才会得到高吸收率。

碲化镉电池的理论光电转换效率约为29%-33%，目前美国的可再生能源实验室已经能把转换效率做到22.3%，前途可观。更重要的是，光伏行业不可能唯转换效率取之，实际应用场景下，温度、阴影遮挡、组件积灰、天气状况等等因素都会影响光伏组件的发电情况；而碲化镉电池不一样，它对全光谱吸收效果都较好，清晨、傍晚、积雪、积灰、雾霾等弱光条件下发光效果都明显优于间接带隙的晶硅电池。

再加上碲化镉电池组件的制作工艺简单且迅速、使用寿命长，这么多优点加身，碲化镉电池却在发展20多年后仍处于“陪跑”地位，是不是有些奇怪？

03

在晶硅统治下逆袭

根据中国光伏行业协会数据，2023年全球光伏新增装机为390GW，同比增长69.6%，累计装机容量约1546GW；与此同时，以碲化镉电池为主的全球薄膜电池组件产量仅为10.4GW。晶硅电池之所以目前能在光伏领域呈现出统治态势，还是要归因于原材料的低价和产业链的成熟。

2009年，据国际可再生能源署（IRENA）数据，薄膜电池组件在全球的市场份额还能占到14%，到了2010年却直接降至11%，这也是拜当时晶硅价格不断下跌所赐。晶硅电池组件的成本在当时显著降低，竞争优势凸显，给了当时还不成熟的碲化镉电池重重一击。 

此外，碲化镉电池组件的制作工艺虽然简单且迅速，可晶硅电池全产业链的规模化早已为商业化铺好了路。

业内人士经常说一条300米长的碲化镉光伏组件全自动生产线，就可能实现从原材料光伏玻璃的磨边清洗，到化合物半导体薄膜的制备，再到最后光伏组件成品封装测试的完整生产流程。

相比之下，晶硅产业链从上游的多晶硅料，到中游的硅片和电池片，再到下游的光伏组件，每个环节都需要非常多的生产设备、配备设施以及资金投入，生产成本高且需要更多原材料。不过，中国市场早在十几年前就已经打通了晶硅电池所有环节的国产化，商业规模日渐壮大，薄膜电池受到晶硅电池产业快速发展的挤压而被推向边缘化。

更何况，碲化镉电池远非完美无暇。它虽然使用寿命能达到20年，潮湿天气下也能比晶硅组件的发电输出率高6%，但是在长时间使用后，碲化镉电池的光电转换效率会明显下降，也就是业内常说的光衰减现象。

再者，碲化镉电池用到的两个重要原材料目前都还有争议，即有毒的镉和稀有的碲化物。镉是重金属元素，很多人都担心会对人体造成伤害。

关于这一点，一位业内人士给出了一组出自美国布鲁克文国家实验室的数据以证明无需担忧：石油的镉排放量是最高的，达到44.3g/GWh，煤次之，为3.7g/GWh，而各种太阳能电池的排放量均小于1g/GWh，其中又以碲化镉电池的镉排放量最低，仅为0.3g/GWh。但是当其作为建筑材料大面积近身使用时，是否会对人体产生其他影响？暂时还没有更可靠的数据证明。 

各国碲资源含量

如果假设薄膜电池中的镉对人体毫无影响，那么我国可能还真适合发展这一路线——因为我国恰好是碲资源的主要分布地之一。

碲本身是地球地壳中最稀有的元素之一，主要分布于俄罗斯、美国、中国和加拿大等地，碲的生产主要源于电解精炼铜过程中产生的副产品“阳极泥”，而我国又是全球最大的铜精炼国，因此，在精炼碲的生产方面我们其实同样占据了主导地位：2023年，中国精炼碲的产量在全球总产量中的占比高达约67.2%。

国内光伏行业自去年下半年以来就陷入了产能过剩和竞争激烈的境况，今年光伏企业退市、停工停产、终止投资、裁员消息又不断……或许培育并保持差异化竞争优势，远比在一个同质化的技术路线上盲目扩产、冲规模更重要，也能在国内外技术之战分野前，守护好成本与差异化的核心竞争力。 

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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