碲化鎘發電玻璃： 一場理論創新推動材料革命的浪潮

玻璃，因其具有良好的可塑性和通透性，在我們周圍環境中隨處可見，比如窗戶、生活用品等，它不僅是我們常見的生活材料，更是人類材料領域最偉大的發明之一，科技進步、工業發展、經濟建設、人類安居，無不閃耀著玻璃的智慧之光。讓我們一起去探尋玻璃的世界……

 

1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋光電效應，成為太陽能產業的理論基礎。愛因斯坦因光電效應理論榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

 

20世紀60年代以來，石油污染事件頻發，能源危機、生態破壞帶來全球性的災難。太陽能這一可再生清潔能源被人寄予厚望，但因技術瓶頸，太陽能產業很快消沉。

 

2006年，美國第一條3MW的小面積碲化鎘薄膜電池組件試驗線落成，組件轉化效率7%，碲化鎘發電玻璃走進人類視野，成為新一代高新技術能源的希望。

 

2011年，中建材美國先進材料研究中心提出碲化鎘新能源材料理論，將大面積碲化鎘發電玻璃作為主研方向，研究成果引全球矚目。

 

2017年，世界第一塊大面積碲化鎘發電玻璃在四川成都下線，凱盛科技（600552）集團所屬成都中建材光電材料有限公司開啟從實驗探索到產業化應用的新征程。

 

2018年，世界第一條大面積碲化鎘發電玻璃生產線投入商業化運行，生產線當年投產當年盈利，利潤達3000萬元。

 

2019年，碲化鎘發電玻璃進入服務國防、邊防事業領域。

 

2020年，成都中建材大面積碲化鎘發電玻璃實驗轉化率突破19.3%，仍有很大的提升空間。

 

碲化鎘發電玻璃，是在玻璃襯底上依次沉積5層半導體薄膜而形成的光伏器件，膜層總厚度為3μm，相當于頭發絲直徑的1/100。碲化鎘發電玻璃是一種具備復合功能，能給業主創造價值的綠色、節能、創能的能源型建筑材料，發電能力強（比單晶硅發電率高3%―8%）、轉換效率高（理論轉化率33%）、溫度系數低（受溫度影響最小）、弱光發電性能好（陰天下雨都發電）、安裝角度影響小（安裝角度自由）、穩定性高（適應環境能力強）、熱斑效應小（被樹葉、灰塵遮擋仍可正常發電），非常適合應用于分布式、構件化、集成化的綠色建筑。

 

要將碲化鎘發電玻璃從理論轉化成產品，需攻克半導體材料摻雜、膜面晶體生長、激光處理技術突破、整套工藝裝備研制等一系列問題。以鍍膜為例，要實現在大面積玻璃基板均勻鍍3μm膜層，成都中建材聯合中國建材集團兄弟單位及德國CTF、美國新澤西理工大學研究中心攻堅克難十余年，經千萬次嘗試，最終研發出在高速運轉的蒸鍍設備上快速生產技術和整套裝備，生產出來的碲化鎘發電玻璃膜層均勻，轉換效率高，良品率超過96%。

 

成都中建材以市場為方向，以服務國家、服務國防為目標，開發社會急需的光電產品；同時深化技術創新，不斷提升產品質量和光電轉化效率，大面積發電玻璃的生產轉化效率從2017年以來逐步遞增的9%、10%、11%、12%、13%，上升到2019年的14.5%，實驗轉化效率提升至19.3%，2020年，依然有預期的提升目標。

 

在效率不斷攀升的同時，成都中建材也同步研發生產面向市場的多樣化產品，已實現發電玻璃色彩可定制、透光率可調，為建筑設計提供廣闊的選擇，滿足建筑應用的美觀性及個性化需求。

 

成都中建材生產的碲化鎘發電玻璃已獲得CE認證、TV認證、CQC認證、3C認證、產品碳足跡認證、防火等級測試（Class A）等一系列國內外產品資質。碲化鎘發電玻璃技術榮獲美國愛迪生發明大獎，第21屆中國工業博覽會新材料獎、國家工信部《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》，中國建材與家居行業科學技術一等獎，成都市首批節能環保裝備推薦目錄，中國建材集團技術進步一等獎等。在強大的市場需求下，碲化鎘發電玻璃生產線已在河北邯鄲、江西瑞昌、湖南株洲、四川雅安、黑龍江佳木斯等地推廣建設，將成為中國建材集團向國內外供給碲化鎘發電玻璃的分布式陣地。

 

實現量產的碲化鎘發電玻璃已在各地標建筑上投入應用，世界十大高原機場――九寨黃龍機場、2022年冬奧會張家口賽區項目、凱盛石墨產業園、邯鄲經開區工業園、雙流機場T2航站樓人行通道、亞洲第一大碲化鎘發電玻璃地面電站等。2020年5月初，首個海外項目――索馬里摩加迪沙國際機場碲化鎘發電玻璃項目的產品順利發車，標志著碲化鎘發電玻璃成功打開海外市場，為“一帶一路”國家輸出技術及產品。

 

在河北赤城縣，建成了亞洲第一大，也是第一個碲化鎘發電玻璃光伏地面修復電站，既修復了礦山、恢復了植被，又精準扶貧給當地百姓創造了收益。公司總經理潘錦功受聯合國邀請于2019年9月3日赴印度參加聯合國192個締約國荒漠治理大會，并做專題報告《碲化鎘發電玻璃治理荒漠》，引起國際強烈反響和廣泛注意。

 

2019年，中國最大碲化鎘發電玻璃BIPV項目――攀枝花石墨工業園1.25MW項目投入建設。用發電玻璃做的屋頂和墻面，替代傳統工業屋頂彩鋼瓦和混凝土墻面，既體現了屋頂和墻面的美觀效果，又創造了發電收益。項目預計每年可提供電量161萬kWh。

 

世界十大高原機場――九寨黃龍機場，海拔高度3450米，晝夜溫差大，年最低溫度低于零下20度，冬季取暖時間長、用電量大。公司長期以來擬用光伏發電降低能源消耗，減少成本；但傳統光伏產品在高寒、高輻射地區總體效果不太理想，發電效率衰減快。在機場擴建航站樓候機區的過程中，九寨黃龍機場公司進行了詳細的對比研究，委托成都中建材聯合西南交通大學、中國民航機場建設集團有限公司西南分公司（民航西南設計院）等單位，針對高原氣象特點，建筑節能環保的要求，按照“四型機場”建設標準，特別是綠色機場發展趨勢，創新碲化鎘發電玻璃應用方案，致力于解決高原機場光伏建筑一體化、能源供給、智慧發電等問題，將碲化鎘發電玻璃這一綠色、節能、弱光性強、光電轉化率高的高技術材料應用到自然環境惡劣的高原機場，降低機場能耗和用電成本。該項目建成后效果突出，交通部決定在全國推廣。九寨黃龍機場后期擴建工程繼續使用碲化鎘發電玻璃，完善應用方案，增加發電規模。

 

四川盆地多雨霧少光照，曾被地理學家判定為不適合推廣利用太陽能的地區。碲化鎘發電玻璃的弱光發電性能，將改寫此地的能源格局。

 

中國建筑上海綠色建筑研究院院長趙鑒到成都中建材考察碲化鎘發電玻璃之后，認為碲化鎘發電玻璃高度符合國家倡導的裝配式綠色零能耗建筑要求，成都中建材在碲化鎘發電玻璃領域有理論基礎，有完整的技術及裝備方案，有自主知識產權，并實現了規模化生產及示范性應用，能為現代建筑設計提供具有革命意義的新能源材料。

 

成都市政領導在成都智慧中心示范項目考察時感嘆，美觀大方、節能創能、沒有光污染的碲化鎘發電玻璃，能為市政改造提供最佳的高科技建筑材料。

 

雅安一市民在體驗碲化鎘發電玻璃農家別墅小屋后說：“發電玻璃太實惠了，裝在房子上漂亮，冬暖夏涼，還能發電，安上5塊，我們全家用電不愁；安上10塊，我們家還能靠它賺錢。”

 

立足科學，革新技術，推動創建中國品牌。在中國建材集團和凱盛科技集團的戰略指導下，成都中建材的碲化鎘發電玻璃將光電能源與建筑行業成功結合，譜寫出中國太陽能產業的新華章。未來，成都中建材將以精進的技術，推進碲化鎘發電玻璃的產研結合，推進“中國智造”這一民族品牌走向世界，為“一帶一路”國家增添中國元素，為“綠色地球”貢獻中國科技。