碲在光伏产业中的应用：优势、挑战与战略价值深度解析

导语：
在全球能源转型与“双碳”目标的共同驱动下，光伏产业正经历前所未有的高速增长。在晶体硅（c-Si）太阳能电池占据绝对主导地位的今天，一种以稀散金属碲为核心原料的薄膜光伏技术——碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池，凭借其独特的性能优势，正在特定应用场景中展现出不可替代的竞争力。碲作为地壳中丰度最低的元素之一，其战略价值正被全球光伏产业链重新审视。本文基于最新行业数据与研究成果，系统梳理碲在光伏产业中的核心应用优势、面临的关键挑战以及未来发展方向。

一、碲在光伏产业中的核心应用：碲化镉薄膜电池

碲在光伏产业中的最主要应用，是作为碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池的光吸收层关键原料。CdTe是一种II-VI族化合物半导体，其禁带宽度约为1.45 eV，与太阳光谱的理想匹配度极高，理论光电转换效率可达约33%。

当前，CdTe薄膜太阳能电池已实现吉瓦级规模生产，在全球光伏市场中占据约5%的份额，在美国公用事业规模市场中供应比例更高达约40%。CdTe光伏组件的制造产能自2017年以来保持了平均37%的复合年增长率。美国First Solar公司是该领域的全球领导者，中国方面则有龙焱能源科技、中茂绿能等企业积极布局。

高纯碲产品除了用于太阳能电池外，还广泛应用于红外探测器、红外激光器、碲化物光纤、γ射线探测器、半导体致冷元件等领域。但在光伏领域，碲的核心载体仍是CdTe薄膜电池。

二、碲化镉薄膜电池的核心优势

2.1 性能优势

（1）高光吸收系数与薄膜化优势

CdTe是直接带隙半导体材料，其光吸收系数高达10⁵ cm⁻¹量级，仅需1-2 μm厚度的吸收层即可充分吸收太阳光中的可见光部分。相比之下，晶硅电池需要约150-200 μm的厚度。这意味着CdTe电池的材料消耗量仅为晶硅电池的约1%，从根本上降低了原材料成本。

（2）优异的温度系数

CdTe组件的温度系数约为-0.26%/℃，明显优于晶硅组件的约-0.35%至-0.40%/℃。这意味着在高温环境下，CdTe组件的功率衰减幅度更小，使其在炎热和潮湿气候条件下具有更高的实际发电量，能量产出优于同等标称功率的硅组件。

（3）弱光效应好

由于CdTe是直接带隙材料，对全光谱的吸收较为均匀，在清晨、傍晚等弱光条件下的发电效果明显优于间接带隙材料的晶硅电池。这一特性延长了光伏电站的有效发电时长，提高了日均发电量。

（4）无本征光致衰减效应

CdTe太阳能电池不存在晶体硅电池中常见的光致衰减效应，25年输出功率保证可达80%以上。

2.2 经济优势

（1）制造成本低

CdTe薄膜电池的生产工艺相对简单，主要采用近空间升华、气相传输沉积等技术，可在玻璃衬底上大面积连续沉积。据行业数据，CdTe电池的生产成本可低至$0.15/W，较多晶硅电池低30%以上。在平准化度电成本方面，CdTe的光伏发电成本为$38至$65/MWh，与晶体硅的$38至$78/MWh相当甚至更具竞争力。

（2）碳排放低

CdTe薄膜电池从原材料到组件的全生命周期碳足迹显著低于晶硅电池。晶硅电池的制造需要超过1500℃的高温晶体生长过程，而CdTe薄膜的沉积温度通常低于600℃，能耗大幅降低。这一低碳特性使其在注重ESG表现的大型项目中更具吸引力。

2.3 环境与可持续发展优势

完善的闭环回收计划是CdTe光伏技术的一大亮点。First Solar等企业已建立了成熟的废旧组件回收体系，可回收玻璃、碲、镉等材料，回收率超过90%。这不仅缓解了原料供应压力，也有效应对了镉的环保争议。此外，CdTe薄膜电池在制造过程中碳排放较低，符合全球低碳发展的政策导向。

三、碲在光伏应用中面临的关键挑战

3.1 资源供应风险：最核心的瓶颈

碲是地壳中丰度最低的元素之一，其资源供应是CdTe光伏技术面临的最根本性挑战。

（1）伴生矿产属性

全球碲资源高度集中于铜冶炼的副产品。碲主要从铜阳极泥中回收，供应量受铜冶炼产能的制约，缺乏独立的开采经济性-。由于从这些矿石中回收碲的比例正在下降，导致供应风险加剧，可能阻碍光伏的推广。此外，中国原生碲资源相对匮乏，再生技术滞后，产业面临从“规模扩张”向“技术卡位”转型的压力。

（2）供需缺口

在《Joule》期刊发表的行业路线图指出，要实现CdTe光伏产业到2030年达到100 GWDC/年制造能力的目标，必须通过改进现有供应链中的碲提取率、利用更薄的吸收层来最小化碲的单位用量，并提升组件效率。该路线图强调，科学和供应链两方面的创新都将是维持CdTe光伏行业高复合年增长率的关键。

（3）全球碲市场增长

全球碲市场规模预计从2025年的约3.89亿美元增长至2033年的8.04亿美元，预测期（2026-2033年）复合年增长率为9.5%。另一研究预计2025-2030年间全球碲市场将增长4.467亿美元，复合年增长率为11.4%。

3.2 转换效率的“天花板”

尽管CdTe实验室最高效率已达23.1%（First Solar公司，2023年数据），量产器件平均效率仅约16%，远低于其约33%的理论极限和主流晶硅电池约29%的实际水平。效率提升的核心瓶颈包括：

· 带隙限制：CdTe的1.45 eV带隙使其对波长大于860 nm的光子无法有效响应，造成“红光损失”。

· 界面缺陷：CdTe与CdS窗口层之间存在晶格失配与能带失配，界面缺陷密度高达10¹² cm⁻³量级，导致严重的开路电压损失。

为突破这些限制，研究者正积极开发CdTeₓSe₁₋ₓ梯度带隙结构，以将长波吸收边延伸至900 nm以上，并开发新型界面钝化工艺以降低界面缺陷密度至1×10¹¹ cm⁻³以下。

最新技术突破：

暨南大学麦耀华/沈凯团队于2025年12月在《ACS Energy Letters》发表研究成果，提出“光-热-电”协同激活策略，成功将CdSeTe薄膜太阳电池效率提升至21.02%。该策略通过同时施加光照、加热和正向偏压的协同处理，有效抑制电池前界面及吸收层的非辐射复合，减少浅能级缺陷和中带隙态的占据，大幅降低载流子复合损失。研究表明该激活过程具备良好的可逆性与重复性，适用于铜掺杂和铋、锑等V族元素掺杂的CdTe电池，具有较强材料普适性。

此外，美国密歇根大学与First Solar合作的研究团队在2025年MRS秋季会议上展示了通过固态阳离子交换策略钝化CdTe/ZnTe界面的成果，冠军器件效率已超过23%。

3.3 镉的毒性与环保争议

镉是一种有毒重金属，其环境影响是CdTe技术面临的持续挑战。尽管CdTe化合物本身的稳定性和毒性远低于元素镉，但在生产、运输、安装和报废环节仍需严格管控。行业已建立了完善的回收体系，但在部分市场（尤其是欧盟的RoHS指令框架下）仍需争取政策认可。

3.4 市场竞争压力

碲化镉面临来自多方面的市场竞争压力：晶硅光伏组件凭借规模化优势和持续降价，在大部分应用场景中占据绝对主导；铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池实验室效率达23.6%，同样是商业化成熟选项；钙钛矿电池单结效率已达26.7%，且正推进钙钛矿/硅叠层技术路线。

不过，碲化镉叠层技术的突破为其打开了新的增长空间。2026年3月，信义玻璃（亳州）有限公司申请了“碲化镉叠层全钙钛矿结构”专利，通过在幕墙玻璃中复合刚性碲化镉电池和柔性钙钛矿电池结构，较单一碲化镉电池发电效率提升30%~40%。这一技术路线为CdTe突破单结效率天花板提供了新的可能。

四、市场前景与政策环境

4.1 市场规模

全球碲化镉薄膜太阳能电池市场正处于快速增长期。据百谏方略（DIResearch）数据，2025年全球碲化镉薄膜太阳能电池市场规模将达到73.72亿美元，预计2032年达到165.23亿美元，年均复合增长率为12.22%。全球碲化镉太阳能板市场预计将从2025年的13.4亿美元增长至2031年的24.3亿美元，复合年增长率为10.43%。北美是最大市场，占据43.5%的份额，主要得益于美国《通胀削减法案》（IRA）等政策对国内薄膜光伏制造的激励。

全球薄膜光伏整体市场规模2025年约为72.5亿美元，预计到2034年增长至261.6亿美元，复合年增长率达15.32%。

4.2 政策环境

2025年2月4日，中国商务部与海关总署发布2025年第10号公告，对钨、碲、铋、钼、铟相关物项实施出口管制，其中明确包含金属碲及碲化镉等碲化合物单晶或多晶制品。这一政策标志着碲已正式纳入国家战略矿产资源管控体系，将对全球碲供应链格局产生深远影响。

在美国，First Solar在《通胀削减法案》等政策支持下，2023年实现创纪录的12.1 GW组件产量，年度净销售额达33亿美元，预计累计订单达73.3 GW。

五、碲的其他光伏相关应用

除碲化镉薄膜电池外，碲在光伏及泛光伏领域还有其他值得关注的应用：

· 碲化镉锌（CZT）探测器：用于X射线和γ射线探测，在光伏材料研究和质量控制中发挥作用。

· 碲化铋（Bi₂Te₃）热电材料：可用于光伏组件的余热回收系统，提升系统整体效率。

· 量子点太阳能电池：碲化镉量子点被视为下一代光伏材料，在提升光吸收和载流子传输效率方面展现出潜力。

六、结语

碲在光伏产业中的应用，以碲化镉薄膜电池为核心载体，展现出了成本效益高、温度特性优、碳排放低等显著优势，使其在炎热气候、大型地面电站和建筑光伏一体化等特定场景中具备不可替代的竞争力。然而，碲资源的伴生矿产属性和供应瓶颈，以及转换效率与晶硅、钙钛矿的差距，构成了其大规模推广的核心挑战。

当前，从暨南大学的协同激活策略到信义玻璃的碲化镉-钙钛矿叠层专利，一系列技术突破正在推动CdTe技术向更高效率、更低成本的方向演进。中国商务部对碲相关物项的出口管制，也进一步凸显了碲的战略价值。在“双碳”目标的推动下，碲化镉薄膜电池有望在全球光伏版图中占据更加重要的位置，碲这一稀散金属的战略地位将持续提升。