综述：迈向100吉瓦的路线图 直流发电：CdTe光伏技术的科学挑战与供应链问题

《Joule》：Roadmap to 100 GW DC: Scientific and supply chain challenges for CdTe photovoltaics

本文提出通过提升铊（Te）提取效率、采用更薄吸收层以减少Te使用量，以及加强关键技术研发，到2030年将CdTe光伏模块年产能扩展至100 GW。研究显示CdTe在高温高湿环境下具有更优的能源产出和更低的衰减率，且通过Gr-V掺杂技术已实现23.1%的电池转换效率。供应链方面，改进铜冶炼工艺和Te回收技术可满足产能需求，并通过优化后接触减少Te消耗。动态模型和实验分析表明，CdTe在性能和成本上可与硅技术竞争，是未来大规模光伏部署的关键技术之一。

　　
CdTe光伏技术作为全球规模最大的薄膜太阳能电池技术之一，其产业化路径与未来发展方向在《2030年CdTe模块制造产能扩张路线图》中得到了系统性阐述。本文将从技术演进、供应链瓶颈突破、关键科学问题三个维度对这份研究报告进行深度解读。

一、技术经济性优势与市场定位
CdTe技术自2010年代初期实现规模化生产以来，已形成完整的产业链体系。当前全球年产能达20 GW，其中美国占据10 GW的产能优势。技术经济性方面，其度电成本（0.22美元/W）已接近传统硅基PERC电池（21.7%转换效率），在高温高湿气候区展现出独特的性能优势。研究数据显示，在 Phoenix（高温干燥）、Frankfurt（温带）、Kuala Lumpur（高温高湿）三种典型气候条件下，CdTe系统的年均发电量（EY）较硅基系统分别高出4.2%、6.5%、4.6%，这种差异主要源于光谱吸收特性差异和温度系数优势（-0.32%/°C vs 硅基-0.34%/°C）。

二、供应链瓶颈与突破路径
Te资源供应是制约产业发展的关键因素。尽管美国地质调查局（USGS）2024年Te产量达980吨，但实际CdTe产能仅需49吨Te即可满足15.1 GW需求，说明存在显著资源浪费。研究揭示Cu冶炼过程中Te回收率不足10%，主要损失环节包括：
1. 矿石预处理阶段：约30% Te存在于浮选尾矿中
2. 电解精炼阶段：仅29%的Cu阳极污泥进入Te回收流程
3. 精炼工艺缺陷：现有工艺对Te的富集效率不足

突破路径呈现双重维度特征：
• 供应链升级：通过改进铜冶炼工艺（如 Rio Tinto与5N Plus合作的Te回收线），预计可将Te回收率从10%提升至35%，使单吨Te支撑的GW产能从19提升至60。
• 资源替代：探索金矿冶炼（如瑞典Kankberg矿2023年Te产量达37吨）、铅锌矿冶炼等替代来源，预计可新增20% Te供应。

三、核心技术突破方向
1. 吸收层结构优化
• 厚度减薄：通过吸收层厚度从3μm降至1.2μm，Te用量可减少60%。研究显示1μm厚膜在背光激励下仍能保持80%的组件电流效率。
• 合金梯度设计：开发Se含量梯度（5%-25%）吸收层，实现前表面带隙优化（1.39-1.5eV）与后表面补偿效应，可使组件效率提升2-3个百分点。
• 晶界工程：通过控制晶界密度（200-500nm/μm）和化学组成（Cl掺杂浓度梯度），将晶界复合损失降低40%。

2. 接触界面创新
• 前表面接触：开发基于MgZnO缓冲层的超薄（<10nm）透明导电层，使表面复合速率降至10^12 cm^-3·s^-1以下。
• 后表面接触：采用点接触+隧穿氧化物的复合结构，结合Al2O3 passivation层（厚度5-8nm），使接触电阻降低至0.1Ω/sq。
• 带隙匹配：通过Bi掺杂调节能带结构，实现与PERC硅电池的1.1eV能级对齐，电压损失减少0.3V。

3. 材料体系拓展
• 多主族共掺杂：As/Sb/Bi/V共掺杂体系可提升载流子迁移率（电子μ=15cm2/Vs，空穴μ=5cm2/Vs）
• 氧稳定化处理：在CdCl2退火过程中引入5ppm氮气环境，使O含量稳定在3×10^15 cm^-3以下
• 晶体缺陷钝化：通过原子层沉积（ALD）技术构建1nm厚Al2O3/SiO2复合钝化层，减少表面态密度至10^10 cm^-2

四、产业化推进的关键路径
1. 产能扩张模型（2024-2030）
• 基线情景（维持现有技术）：2030年产能60GW，需Te供应量98吨
• 科学驱动情景（效率提升至23%）：产能可达85GW，Te需求降至60吨
• 供应链突破情景（回收率提升至40%）：产能突破100GW，Te用量控制在50吨

2. 研发投入优先级
• 设备层研发（20%）：开发低温（<300℃）退火工艺，减少晶界应力损伤
• 材料层研发（35%）：建立Gr-V掺杂数据库（已收录17种元素组合）
• 模型开发（25%）：构建3D/2D耦合器件模型（精度>90%）
• 供应链研发（20%）：建立铜冶炼厂Te回收标准流程

五、技术成熟度与产业化风险
当前技术路线面临三大挑战：
1. 电压损失瓶颈：实测记录组件Voc达905mV，理论极限值1103mV，仍有8%提升空间
2. 供应链脆弱性：全球70% Te供应依赖智利铜矿伴生Te，存在地缘政治风险
3. 模糊边界效应：晶界尺寸（200-500nm）与吸收层厚度（1-3μm）存在耦合关系，导致光吸收不均匀

解决方案已现雏形：
• 电压提升：通过掺杂梯度优化（Bi:Te=1:100），使Voc提升0.5-0.8V
• 供应链韧性：建立"铜矿-冶炼厂-光伏企业"垂直整合体系（如First Solar与Glencore的战略合作）
• 晶界控制：采用VTD沉积工艺，将晶界密度控制在500nm以下

六、环境与经济性平衡
研究显示，CdTe组件全生命周期碳足迹为硅基的60%，主要得益于：
1. 模块寿命达30年（年均衰减0.3%）
2. 产能利用率提升：现有生产线从75%提升至90%
3. 电网适配性：在波动性电源接入场景下，EY波动率降低40%

但需注意潜在风险：
• Te资源再生周期：现有Te回收工艺需3-5年建设周期
• 废弃组件处理：每GW退役组件含0.5吨Te，需建立专业回收体系
• 掺杂毒性：As/Sb/Bi用量增加可能带来环境风险

七、技术演进路线图
2030年前需实现三大技术突破：
1. 组件效率：从当前19.7%提升至23.5%（需Voc>1050mV，FF>85%）
2. Te强度：从0.19g/W降至0.07g/W（通过合金梯度与厚度优化）
3. 模块寿命：从30年延长至35年（需解决Cl/O化学计量比控制）

为实现上述目标，建议采取"三步走"策略：
• 2025-2026：建立标准化Te供应链（回收率>35%）
• 2027-2029：完成接触界面技术迭代（Voc突破1050mV）
• 2030-2035：实现全产业链整合（Te用量降低40%）

该路线图不仅为CdTe技术提供了清晰的演进路径，更为多能互补型光伏系统开发（如CdTe-Si异质结组件）奠定了基础。随着Gr-V掺杂技术成熟（2023-2025）和Cu冶炼Te回收率提升（2025-2030），预计到2030年CdTe技术可实现全生命周期成本与硅基相当，形成多气候区互补发展的产业格局。