NREL、First Solar，30年合作碲化镉

你不知道美国太阳能研究所，就像你不知道中国太阳能学会一样。

2005年12月，中国太阳能学会更名为中国可再生能源学会，“中国太阳能学会网”更名为“中国可再生能源学会网”。

1991 年，“美国太阳能研究所”被乔治·布什总统指定为国家实验室，并重新命名为“NREL（美国国家可再生能源实验室）”。

可再生能源，最初的研究都是太阳能，NREL深耕太阳能技术已有45年。而自从Solar Cells Inc.（第一太阳能公司First Solar前身）成立以来，与NREL开展的碲化镉太阳能电池研究合作已经近30年。

合作跨越时代，25年碲化镉实证

具有稳定、高效、可靠、成本竞争力，是任何一种太阳能电池技术都在追求的极致。

1995年，美国Solar Cells Inc.制造的碲化镉光伏组件被安装在科罗拉多州美国国家能源部可再生能源实验室（NREL）负责的户外测试设施（OTF）上。

当 Solar Cells Inc. 于 90 年代初出现时，其产业目标选择了薄膜太阳能技术路线中的碲化镉（简称“CdTe”）技术，那时仍被叫做“美国太阳能研究所”的NREL已经研究该技术十多年。Solar Cell选择了“美国太阳能研究所”作为技术合作伙伴，重点是验证和研究其太阳能电池板中使用的碲化镉薄膜技术的可靠性、稳定性和效率。

1995年，更名为“NREL”- 国家可再生能源实验室后，美国能源部 (DOE) 为NREL设定了“国家技术商业化实验室的目标”，而Solar Cells的碲化镉产品也已定型并开始推向市场，此时Solar Cell最需要证明的就是该技术的可靠性、稳定性。

因为无论过去还是现在，绝大多数太阳能电池都是晶硅结构，而不是碲化镉。但碲化镉作为薄膜技术的代表，相比晶硅材料有明显的成本优势，欠缺的就是追平晶硅的发电效率，证明薄膜技术和晶硅这样的无机非金属一样耐久。

Solar Cell有信心提升效率，但耐久需要时间来证明。于是一个愿出钱，一个愿提供服务，一场长达25年的碲化镉户外实证试验由此诞生。

尽管试验阵列只有0.6千瓦，但这些在科罗拉多州热带干旱地区进行了25年户外实测的碲化镉光伏组件运行依然良好，每年的衰减率仅为0.5％，25年运行后还有88％的发电功率。

NREL的数据反馈，增强了已经更名为First Solar的产品管理人员更多信心。之后不久，First Solar宣布将其碲化镉光伏组件25年功率质保延长到30年。

技术+政策，30年打造CdTe帝国

NREL 和 First Solar（Solar Cells Inc.）在薄膜太阳能技术领域已合作近30年，在NREL  550 多个合作伙伴中，与First Solar的合作似乎尤为坦诚和信任。

NREL 技术专家Teresa Barnes 介绍：“30年前研究太阳能的都是斗志旺盛的小型初创公司，CdTe 社区一直非常非常小，就是一群老朋友一起工作。”另一位NREL已退休的科学家表示， Larry Kazmerski 是一位已退休的NREL高级科学家，他介绍在他负责太阳能研究的材料和表征、从事 Solar Cells Inc. 项目期间，双方从未达成过保密协议，双方之间有的只是信任。

“你必须意识到他们没有来 NREL 说，‘嘿，我们有问题。你能解决吗？'” Larry说，“他们会把人们带出来，然后进行讨论，人们会一起在实验室里观察它。这是一个相当开放的政策。他们可以进来一起工作，没有太大问题。”

正是这种坦诚而开放的合作，NREL 帮助First Solar 在碲化镉光伏产品的开发、制造和运营和电站建设方面取得了巨大的成功。

而随着中国在晶硅太阳能技术领域的崛起，NREL在太阳能发电技术路线上选择和优势也越来越集中在薄膜技术领域，尤其是在碲化镉技术路线。

这种选择和优势，在2011年中美两国光伏贸易战开启后，表现得愈发明显，美国在薄膜太阳能发电技术领域加速前行。

2004 年 First Solar 实现了低成本 CdTe 电池的量产，开启了快速产业化扩张的步伐。到 2008 年全球CdTe 电池的产量已超过 500MW，成为产量最大的薄膜电池技术，其中 First Solar的产量占总产量的 99%以上。

由于当时多晶硅价格仍处在创纪录的高位，CdTe 电池的成本优势突出，First solar 快速扩张产能，2009 年产量达到 1.1GW，成为当年的电池产量冠军，全球市占率高达 12%。

2011 年 First Solar 的电池产量较 2009 年增加近 1 倍，但2011年全球光伏装机量增加了4倍，因为晶硅电池成本一年内下降了 40%，2012年历史性地跌到 20 美元/kg 以下，导致 First Solar 丧失了成本优势。

但First Solar的成本优势在美国本土并未受到影响，随着2011年中美光伏贸易战开启，美国成了薄膜光伏技术的天堂，也是全球薄膜光伏技术唯一的乐土。

而随着First Solar新的 S6 大型组件的推出，CdTe 技术成本降到 20 美分/W 以下，重新夺回成本优势。2018-2020 年 First Solar 的出货量预计分别为 2.7/5.6/8GW，在2019年和☞☞2020年度全球光伏营业收入20强中，First Solar分列第八、第九，其它都是晶硅光伏企业。

随着美国太阳能装机逐渐成为全球重要地区，在美国因双反占尽优势的First Solar，其业绩大增。First Solar发布的2021年Q1财报显示其净销售额达到了8.034亿美元，比上一季度增加了1.94亿美元；而与去年同期相比，净销售额增长了51％。

2018年6月，First Solar在俄亥俄州投资建设1.2GW光伏组件制造厂。2021年6月，First Solar 宣布在俄亥俄州再投资 6.8 亿美元建设组件工厂。

图：俄亥俄州First Solar 制造工厂员工搬运玻璃

深度绑定，NREL与First Solar继续前行

在Larry Kazmerski 看来，First Solar和NREL 碲化镉研究部门之间相互依赖，尤其是在美国能源部、产业界和大学研究之间的太阳能光伏合作。NREL一直在推动 CdTe 研究的大学、行业和国家实验室层面的合作伙伴关系。

过去30年间，NREL在效率研究上不断突破，First Solar则在大规模生产上不断创新，NREL再帮助测试、验证。NREL提供基础研究，First Solar教NREL如何扩展到制造技术，开发强大的工艺窗口。

当数年前NREL想了解碲化镉为何比晶硅技术电压损失更大时，First Solar提出了竞争合作的公开研究模式。NREL确定因为掺杂CdTe 电池的铜造成了电压损失，First Solar则研究出掺杂砷的替代工艺。三年后NREL 和 First Solar共同在Nature Energy 上发表了一篇论文，表明掺砷的可制造薄膜 CdTe 器件的效率与掺铜 (Cu) 器件相当，并且长期降解率要低得多。这种名为“CuRe”（Cu 替代）的新技术目前正在 First Solar 生产线中实施，为 CdTe 电池变得更加高效和可靠铺平了道路。

30年来，NREL 和 First Solar 一起跨越了一系列门槛，取得了里程碑式的成就。曾经双方合作将碲化镉发电的量产效率突破 10% ，如今双方正在努力让 CdTe 效率超过 20%。

在NREL看来，说 First Solar 的成功是一场胜利，这意味着NREL正在做正确的事情，产业界的任何成功都很好地反映在他们身上。

NREL 和 First Solar 仍将继续密切合作。

2021年3月美国能源部太阳能技术办公室（SETO）宣布成立CdTe 光伏加速器联盟（CdTe PV Accelerator）；6月，☞☞SETO正式发布计划投资2000万美元推动碲化镉 (CdTe) 光伏 (PV) 加速器计划，由NREL负责牵头确定一个由能影响整个美国 CdTe 供应链的领先公司和研究机构组成的联盟领导层，该联盟将领导CdTe 供应链的技术开发重点，汇集学术界、工业界和国家实验室的专业知识。显然，该联盟的最大牵头单位将是NREL和First Solar。

NREL官方信息称，其最近设计并制造了一种成功的气相传输沉积工具，类似于 First Solar 用来沉积 CdTe 薄膜的工具，这一成果增加了 NREL 与 First Solar 工作的相关性。NREL和First Solar除了长期的合作研究与开发协议 (CRADA)，最近还合作开展了两个不同的成本分摊项目，研究 NREL 知识产权与其工艺的兼容性。

双方的互补优势是推进 CdTe 太阳能电池技术的重要基础。

【结语】

NREL 和 First Solar的合作伙伴关系，帮助美国在碲化镉薄膜太阳能电池技术领域成为全球技术领先，这也恐怕是美国在未来太阳能技术中唯一能引以自豪的了。相比汉能薄膜技术路线的失败，运营的对比以及国家政策、技术的反衬，让美国在碲化镉太阳能技术领域享受领先的同时，也承受着高昂的度电成本之痛。

不管怎么说，NREL和First Solar将CdTe技术在早期众多初创技术和公司中幸存并带到顶端，尽管这只是在美国。他们共同制定了引入和扩大新技术的蓝图，突破了界限并测试了可能的极限。

全球太阳能行业有一个不断变化和前进中的晶硅光伏市场，如果不是NREL和First Solar，还有美国政府的坚持，CdTe的产业化不会有这么大的进展。

而如果没有 CdTe，也许我们现在甚至不会那么关注钙钛矿，钙钛矿的研究也不会有那么快的进展。

30年的合作，让First Solar继续坚持；而在晶硅领域，同样坚持了30年之久的☞☞异质结技术，正在看到规模化的曙光，即将领跑平价新时代。

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