国家住建部数据显示，中国的建筑能耗约占全社会总能耗的30%。建筑能耗包括建筑材料生产、建筑施工、装饰施工、幕墙施工等，直到人们日常生活在建筑中的采暖、空调通风和电器照明等，从“能耗城市”向“节能城市”。甚至产能城市的转变，亦是建筑智慧城市低碳发展的一大议题。

一、引言

在光伏领域，晶硅技术与薄膜技术的路线之争由来已久。目前，光伏的主流技术为晶体硅，约80%的布点率，但薄膜技术凭借着成本低廉，原材料来源广泛及累计发电量富足等优势，被称为第二代光电产品。

碲化镉（CdTe）技术以美国的First Solar 最为出色，事实上只有这一家厂商量产，其余投入开发的厂商都在生产边缘徘徊。First Solar的碲化镉产品转换效率可达12%~13%，虽然通过国家12%的门槛，但最为人所诟病的是其产品中含有镉元素。在使用或生产环节中，对环境的潜在污染影响非常大，限制了碲化镉的发展及未来。

薄膜弱光发电玻璃是在普通玻璃上镀上碲化镉光电材料，让普通玻璃从绝缘体变成可导电的导体，进而变成可发电的建筑材料，从而实现了发电材料的有机结合。每块发电玻璃的发电层经过激光的刻蚀，形成若干数量规律串联的小电池。两块玻璃合一，通过背面的接线盒收集电流，导入逆变器后就能直接（交流电）使用了。普通玻璃由无色变成黄色、再变成黑色的过程，即是安装上碲化镉（CdTe）电池发电的过程，而电池的形成，是因为镀上发电层。

发电材料的来源是辉碲铋矿。在同样的光照作用下，发电玻璃对光的吸收作用比普通发电材料要高出10%左右，即便在弱光条件下也可通过光电转换生产电能，尤其适合重庆、四川的光照条件。四川拥有丰富的、世界上唯一独立成矿的辉碲铋矿。矿石资源丰富和光照资源薄弱，是在逆境下突破新生能源的两大因素。

据研究资料介绍，一块单片长1.6m、宽1.2m薄膜的发电玻璃，它的光电转换效率高达17.8%，每年可以发电260~270度。即便在光线很弱的情况下，也能通过光电转换产生电能。一块1.92㎡的玻璃一年可以发电260~270度，按理论计算，3000~4000块薄膜发电玻璃产生的电量，相当于普通油田一口井一年产油可转化成的发电量。

要知道，国际上最大的单片碲化镉薄膜太阳发电玻璃为0.72㎡，一直未能获得技术突破。要把4μm厚（相当于1%头发丝粗细）的碲化镉（CdTe）薄膜均匀地、不间断地镀在普通玻璃上，难度非常大。

本生产线上使用的核心工艺技术是气化镀膜，玻璃进入真空躯体后，处于高温环境的高速运动状态，让4μm厚的碲化镉晶体连续在玻璃上“生长”。它还是一种绿色、可回收、可发电的多功能建筑材料，可替代其他墙体材料，为大规模光伏建筑一体化的实施奠定了坚实基础。与普通发电材料相比，薄膜发电玻璃的耐久性更胜一筹，设计使用寿命可达30年，通过发电，前6年即可收回成本，这为光伏发电并网的推进甚至向精准扶贫打开了想象空间。

我国现有建筑42亿㎡，如果用薄膜发电玻璃超过30%，就相当于建设3个三峡水电站，且解决了传统玻璃幕墙的光污染问题。

二、无机化合物薄膜太阳电池

无机化合物薄膜太阳电池又称多元化合物薄膜太阳电池。

主要包括CdTe（碲化镉）薄膜太阳电池、GaAs（砷化镓）薄膜太阳电池和CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池等。

因其生产设备复杂、生产周期长、能耗大、成本高，仅用于空间领域太阳电池上。

三、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池

1982年，Kodak实验室用化学沉积法在P型碲化镉（CdTe）上制备出一层超薄的硫化镉（CdS），制备了效率超过10%的异质结p-CdTe/n-CdS薄膜太阳电池，这是CdTe薄膜太阳电池的原型。根据报道，2011年，福思第一太阳能制备的碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池实验室的光电转换效率已达到17.3%，其商用光电转换效率达到10%左右。2003年，四川大学采用近空间升华法（CSS）技术制备的碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的光电转换效率已达到13.38%，接近世界先进水平。

（一）、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的特点

碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的特点如下：

1、高吸收率

碲化镉（CdTe）的吸收系数在可见光范围内高达104cm-1以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。

2、光电转换效率高

碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的理论光电转换效率约28%左右。

3、电池性能稳定

一般的碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的设计使用寿命为20年以上。

4、其他性能

（1）、电池结构简单，易于制造；

（2）、CdTe材料与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换；

（3）、制造成本低廉；

（4）、CdTe容易沉积成大面积均匀薄膜，沉积速度也很快；

（5）、容易实现规模化生产；

（6）、受温度影响较小，技术性能稳定；

（7）、廉价的清洁能源。

其中碲（Te）天然蕴藏资源十分有限，四川雅安地区相对较丰富；而且镉（Cd）元素有毒，对环境易造成污染，不是硅太阳电池最理想的替代品。

（二）碲化镉薄膜太阳电池的结构

碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池是在玻璃或其他柔性衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件。一般标准的碲化镉薄膜太阳电池由5层结构组成。传统的太阳电池光伏板与建筑是分离式的，先有玻璃幕墙，再贴太阳电池板。而碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池板本身就是一个可以发电的玻璃幕墙，同时满足玻璃幕墙的多种功能要求。

1、玻璃衬底

主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光的作用。可以是平板玻璃或浮法玻璃，也可以是夹胶玻璃或夹层玻璃，背面玻璃上有接线盒，用以用来收集电和导电。

2、TCO层

即透明导电氧化层，主要起透光和导电的作用。

3、CDS窗口层

n型半导体，与p型cd组成p-n结。

4、碲化镉（CdTe）吸收层

它是电池的主体光电材料吸收层，与n型的cds（cds在这里起缓冲作用）窗口层形成的p-n结，是整个电池最核心的部分。

5、背接触层和背电极

为了降低碲化镉（CdTe）和金属电极的接触势垒，引出电流，使金属电极与碲化镉（CdTe）形成欧姆接触。

（三）碲化镉薄膜太阳电池制备方法

碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池可以有多种制备方法，参见表1。

一般的工业化和实验室都采用CBD水溶沉积法，这是因为CBD（水溶沉积）法的成本低和生成CDS能够与TCO形成良好的致密接触。

三、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池产业发展状况

碲化镉薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。

（一）、国外产业发展状况及趋势

美国南佛里达大学于1993年采用近空间升华技术在1cm²面积上做出光电转换效率15.8%的薄膜太阳电池。随着日本研究的碲化镉（CdTe）小面积电池在实验室里的最高光电转换率为16%，成为当时碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的最高纪录。

近年来，太阳电池的研究方向主要是光电高转换效率、降低成本和高稳性。因此，以碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池为代表的薄膜太阳电池倍受关注，许多组织和公司都开始在研究和测试。

（1）、西门子开发的面积为3600㎡的碲化镉薄膜太阳电池的测试结果，其光电转换效率达到11.1%的水平。

（2）、美国国家可再生能源实验室公布：

①Solar Cells 公司的面积为6879cm²的碲化镉薄膜太阳电池的测试结果，其光电转换效率达到7.7%。

②Bp Solar 的碲化镉薄膜太阳电池面积为454m²，光电转换率为8.4%；面积为706cm²，光电转换效率达到10.1%。

③Coldam Photon的碲化镉薄膜太阳电池，面积为3528m²，转换效率为7.7%。

其详细情况参见表2。

人们认为，碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池是最容易制造的，因而它向商品化进展最快。提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化，适当减薄窗口层CdS的厚度，可减少入射光的损失，从而增加电池短波响应以提高短路电流密度，较高光电转换效率的碲化镉薄膜太阳电池就采用了较薄的CdS窗口层。要降低成本，就必须将CdTe的沉积温度降到550℃以下，以适于使用廉价的玻璃作衬底；实验室成果要走向产业化，必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程。近年来，有许多国家的研究小组已经能够制造出光电转换效率12%以上的碲化镉薄膜太阳电池。

在广泛深入应用研究基础上，国际上许多国家的碲化镉（CdTe）太阳电池由实验室研究阶段开始走向工业化生产。1998年美国的碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池产量只有0.2MW，而在2010年，美国第一光伏的碲化钴（CoTe）年生产量达到了2.2GW，商业模块平均光电转换效率11.7%,而生产成本却低至0.75美元/W，并且宣布在今后的几年后会更低。

（二）、国内产业发展状况及趋势

我国碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的研究工作开始于上世纪80年代初。内蒙古大学、新疆大学采用蒸汽技术，北京太阳能研究所采用点沉积法（ED）研究和制备碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池，后者研制的薄膜太阳电池光电转换效率达到5.8%。

80年代中期至90年代中期，研究工作处于停滞状态。

90年代后期，四川大学太阳材料与器件研究所，由冯良桓教授的带领，在我国开展了碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的研究，在“九五”期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题“11-VI族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制”，教授采用近空间升华技术研究碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池，并取得良好的成绩。最近，电池光电转换效率已经突破13.38%。进入世界先进行列。“十五”期间，碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池研究被列为国家高新技术研究发展计划“863”重点研究项目。

经过多年几代科学工作者的不懈努力，我国正处于实验室基础研究到应用产业化的快速发展阶段，碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的研究，从原来的只有内蒙古大学、新疆大学、四川大学等几家大学科研院所进行，到今年的四川阿波罗太阳科技开发股份有限公司新型薄膜CdTe/Cds太阳能电池核心材料产业化（为期2年，将建设拥有年产碲化镉（CdTe）50T的生产线、硫化镉（Cds）10T的生产线），使我国在碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池生产得到长足发展，从而使我国碲化镉薄膜太阳电池产业快速步入世界先进行列。

四、碲化镉薄膜太阳电池可持续发展

碲化镉薄膜太阳电池的生产成本大大低于晶硅体和其他材料的太阳电池技术，其次它和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。标准工艺、能耗低、生命周期（30年）结束后可回收。强光弱光均可发电，温度越高表现越好。拥有这么多优势的碲化镉薄膜太阳电池在全球市场占有率上已经开始向传统晶体硅太阳能电池发起了挑战，碲化镉薄膜太阳电池的领军企业美国First Solar 公司一度成为全球市值最高的碲化镉薄膜太阳电池企业。然而，碲化镉薄膜太阳电池自身仍有一些不足：

（一）、碲（Te）的储量

碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉太阳电池面临的首要问题即是地球上碲的储量是否能满足碲化镉太阳电池组件的工业化规模生产及应用。过去碲是以铜、铅、锌等矿山的伴生矿副产品的形式，亦是矿渣，以及冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。

据有关资料报道，虽然已知地球上储有数十万吨碲，且130~140Kg碲可以满足1MW碲化镉薄膜太阳电池的生产需要，但是与硅（Si）在地球上的储量根本无法相提并论。

（二）、镉（Cd）的危害

由于碲化镉薄膜太阳电池含有重金属镉，使得许多人担心碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的生产和使用对环境的影响。多年来，一些公司和专家不愿步入碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池的开发和生产即是这个原因。

为此，美国布鲁克文国家实验室的科学家们专门研究了这个问题。他们系统研究了晶体硅太阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池与煤、石油、天然气等常规能源和核能的单位发电量的金属排放量。在薄膜太阳电池的分析中，考虑了将原始矿石加工得到制备太阳电池所需材料、太阳电池制备、太阳电池的使用等全寿命周期过程。研究结果表面，石油的镉（Cd）排量是最高的，达到44.3g/GWh；煤炭次之，为3.7g/GWh；而薄膜太阳电池的排放量小于1.0g/GWh，其中以碲化镉的镉排放量最低，为0.3g/GWh。与天然气相同，硅太阳能电池的镉排放量大约是碲化镉薄膜太阳电池的2倍。

还研究了硅太阳能电池和碲化镉薄膜太阳电池的生产和使用中其他重金属的排放。研究结果表明，碲化镉薄膜太阳电池的砷、铬、铅、汞、镍等其他重金属的排放量也比硅太阳能电池的低。该研究报告的结论基于对美国First Solar 公司碲化镉薄膜太阳电池生产线、碲化镉太阳电池组件、使用现场的系统考察，和对其他太阳能电池、薄膜太阳电池、能源实际生产企业的工艺、相关产品的使用环境研究分析而得出。研究结果的科学性、公正性得到国内外的认可。研究者在2006年欧洲材料年会硫（S）系半导体光伏材料分会作的报告引起了与会人员的强烈关注。

美国的研究人员还针对硫化镉（CdS）薄膜太阳电池组件使用过程中遇到火灾等意外事故造成组件损毁的镉的污染进行了研究。他们将双玻璃封装的碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池组件在模拟建筑物发生火灾的情况下试验，实验温度高达1100℃。试验结果表明，高温下玻璃变软以至于熔化，化合物半导体薄膜被包封在软化的玻璃中，镉（Cd）流失量不到电池所含镉总量的0.04%。考虑到发生火灾的几率，得出使用过程中镉的排放量不到0.06mg/GWh。

虽然实验表明，碲化镉（CdTe）薄膜太阳组件的使用是安全的，但是，建立寿命末期电池组件和损毁组件的回收机制可以增强公众的信心。分离出的Cd、Te及其他有用材料，还可以用于制造生产太阳电池组件所需的相关材料，进行循环生产。美国、欧洲的研究表明，技术上是可行的，回收材料的效益高于回收成本。事实上，美国First Solar公司的硫化镉（CdS）薄膜太阳电池组件在销售时就与用户签订了由工厂支付回收费用的回收合同。

综上所述，碲化镉薄膜太阳电池在生产使用等方面环境是友好的。而且就在目前，碲化镉薄膜太阳电池的生产成本正在逐步接近，甚至低于传统发电系统的，这种廉价的清洁能源在全世界范围内引起了关注，各国均在大力研究解决制约碲化镉薄膜太阳电池发展的因素，相信上述问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池成本成为未来社会的主导新能源之一。

五、碲化镉（CdTe）薄膜发电玻璃幕墙

玻璃幕墙即光伏幕墙，伴随着建筑幕墙事业的发展，建筑有望从“耗能”向“产能”转变。

（一）、薄膜发电玻璃幕墙工艺流程

薄膜发电玻璃幕墙是将多个太阳电池经加固处理，镶嵌在特殊的透明度极高的低铁玻璃中，彼此之间经过其背面的导线相连，从而构成了一个整体的光电板。

光电板的尺寸规格可以根据实际工程的玻璃幕墙分格方案进行量体定型制作，在太阳光照射下产生直流电，所有光电极产生的电能，通过多极集成电路整流、变压等过程，再借助逆变器，转化成供使用的交流电，送入用户电网。

薄膜发电玻璃幕墙的工艺流程如图1所示：

图1薄膜发电玻璃幕墙工艺流程图

（二）、薄膜发电玻璃幕墙特点

1、优点

（1）自发电，其电量可满足建筑自身消耗，无需缴电费，且有剩余，经济效益好；

（2）新型绿色清洁能源，无污染，保护环境；

（3）发电与建筑结合，不占用额外土地，节省土地资源；

（4）减少输电过程，降低不必要的能源损耗；

(5）电能用不完可输送至国家电网并网，有额外经济效益。

2、缺点

（1）造价较高。以目前的科研与量产能力，光伏组件造价较高，发电玻璃幕墙成本尚昂贵，发电成本较高，高于常规水力、火力发电；

（2）不稳定，受海拔、日照时间、强度、天气等因素影响较大，发电量不稳定；

（3）光电转化效率较低，一般低于30%，亦使得发电成本居高不下；

（4）对玻璃幕墙外表面光洁性要求较高，后期维护、保养成本偏大；

（三）、发电玻璃幕墙安装节点构造

1、I型安装方案

薄膜发电玻璃幕墙I型安装方案节点构造如图2所示。

图2  I型安装方案节点

2、Ⅱ型安装方案

薄膜发电玻璃幕墙Ⅱ型安装方案节点构造如图3所示。

图3  Ⅱ型安装方案节点

3、III型安装方案

薄膜发电玻璃幕墙III型安装方案节点构造如图4所示。

图4   III型安装方案节点

作者简介：雍本，四川省建筑科学研究院，高级工程师，客座教授。曾出版《特种混凝土设计与施工》、《建筑装饰幕墙》、《建筑工程设计施工详细图集——装饰工程(3)》等书。曾获得四川省科技成果二等奖。为中国建筑装饰协会资深专家，四川省政府首席评标专家和政府采购专家，四川省金属结构行业协会高级幕墙专家。