发电玻璃是怎么把光变成电的：碲化镉薄膜工作原理拆解

一、发电玻璃用的是什么原理

发电玻璃虽然外观是一块建筑玻璃，但它的核心仍然是半导体的光生伏特效应，和晶硅组件在物理层面同源。区别在于：晶硅组件是把已经切好的硅薄片拼成电池片，而发电玻璃是直接在一片超白玻璃上"长"出一层只有几微米厚的多晶化合物半导体——最典型的就是碲化镉（CdTe）——并以此作为光吸收层。阳光穿过玻璃和透明电极打到这层薄膜上，光子激发出电子—空穴对，再由异质结处的内建电场把载流子分开，最后从前后两个电极引出直流电^[1][2]。

这看起来和晶硅没什么两样，但正是"在玻璃上直接长膜"这件事，决定了发电玻璃在材料、结构和工艺上的全部特点。下面顺着光进入玻璃的方向，把这层薄膜器件一层一层拆开看。

二、五层薄膜：从外到内的堆栈

一块碲化镉发电玻璃采用的是"超strate"结构——光从玻璃侧入射，因此最外面那层首先是一片 3 到 3.2 毫米厚的超白浮法玻璃，它既是建筑幕墙的结构件，也是整个半导体器件的机械衬底^[3][4]。紧贴玻璃内表面的是一层透明导电氧化物薄膜（TCO），通常用氟掺杂氧化锡（FTO）或氧化铟锡（ITO），厚度几百纳米，既要让可见光几乎无阻挡地透过去，又要把光生电子横向收集到电极上。TCO 之下是一层非常薄的硫化镉（CdS）窗口层，只有 50 到 150 纳米厚，N 型半导体，禁带宽度约 2.4 电子伏特，它的作用不是吸光，而是作为 N 侧与下面的 P 型吸收层形成异质结，同时让短波长光子尽可能穿过去^[5][6]。

真正"干活"的是紧接其后的碲化镉吸收层，厚度通常只有 2 到 5 微米，P 型多晶半导体，禁带宽度约 1.45 电子伏特。这个数字非常接近单结电池的肖克利—奎伊瑟最优值（约 1.34 电子伏特），意味着 CdTe 在理论上能从太阳光谱里榨取接近单结极限的电能^[7][8]。更关键的是它的光吸收系数——在可见光波段超过每秒每厘米 10 的五次方，是硅的几十倍。这意味着只需 2 微米厚的 CdTe 就能吸收 90% 以上能利用的阳光，而晶硅片要切到 150 到 180 微米才能达到同样的吸收效果，材料用量差了两个数量级^[7][9]。吸收层背后再镀一层背电极，通常由锌酸铜或石墨/银复合构成，把光生空穴收集起来引出外电路。整 stack 在完成后还要再合上一片背板玻璃，做成中空夹层，才算完成一块真正的建筑用发电玻璃^[5][10]。

三、光电转换发生在哪里：CdS/CdTe 异质结

和晶硅 PN 结不同，CdTe 电池的结不是同一种材料掺杂出来的，而是两种不同半导体拼在一起的"异质结"。N 型 CdS 与 P 型 CdTe 接触后，在交界面附近形成耗尽区和内建电场。光子穿过 TCO 和薄薄的 CdS 窗口层后主要被 CdTe 吸收层捕获，激发出电子—空穴对。在内建电场作用下，电子被推向 N 侧（即 CdS/TCO 方向），空穴被推向 P 侧（即背电极方向），两侧电极分别把电荷汇集起来，外电路就有了直流电流^[6][11]。

制造过程中有一道被业界视为秘密武器的工序，叫 CdCl₂ 处理——在沉积完 CdTe 之后，给薄膜镀一层氯化镉并在约 400 到 450 摄氏度下退火。这一步看似简单，却能显著钝化晶界、提高载流子寿命，是 CdTe 电池效率从早期的不到 10% 一路推到实验室 22%、量产 19% 的关键工艺^[3][12]。

四、为什么弱光、高温和阴影下它反而更强

理解了材料，再回头看发电玻璃常被提到的几项"反直觉"优点，物理来源就清楚了。

先说弱光。CdTe 的光谱响应曲线比晶硅更偏向短波，对清晨、傍晚和阴天里丰富的蓝紫色散射光特别敏感；加上它的二极管品质因数（ideality factor）设计得较低，在低辐照下复合损失占比小，所以同样是阴天，CdTe 组件的输出相对晶硅更高。北京示范项目实测阴雨天仍能达到晴天出力的 67% 以上，晴朗多云天甚至可达 90%，这是材料光谱响应和低复合损失共同决定的^[13][14]。

再说高温。CdTe 组件的功率温度系数约为 −0.22% 到 −0.32% 每摄氏度，明显优于晶硅组件常见的 −0.35% 到 −0.45%。这意味着夏天幕墙被晒到 60 摄氏度时，CdTe 的出力衰减比晶硅少一截；对于贴在建筑立面、散热条件本就不如地面电站的 BIPV 场景，这一项差异直接决定了全年发电量^[12][15]。

最后说局部遮挡。晶硅组件是电池片串联成串，一片被鸟粪或树叶挡住，整串电流被卡在最差的那一片上；而 CdTe 是整片连续薄膜横向导电，一处阴影只会让那一小块区域的电流下降，不会像串联电池片那样把整串拖垮。这也是薄膜路线在抗局部遮挡上普遍优于晶硅串联组件的原因^[12][16]。

五、制造：从一片浮法玻璃到成品只要四个半小时

CdTe 发电玻璃的制造是一条连续的"玻璃—半导体—玻璃"流水线。原片超白玻璃从一头进入产线，先在 600 摄氏度左右用化学气相沉积法镀上 TCO，再用近空间升华法（CSS）或气相输运法（VTD）依次沉积 CdS 和 CdTe 吸收层，接着做 CdCl₂ 退火处理、蒸镀背电极，最后经激光划片、绝缘封装、合片中空玻璃，从另一头出来就是一块可以直接送进幕墙工厂的发电玻璃^[17][18]。头部薄膜组件企业 公布的整线节拍大约是 4.5 小时。

和晶硅相比，这条产线不需要拉单晶、不需要切割硅片、不需要电池片串焊和层压，材料只消耗几微米厚的碲化镉薄膜，单位瓦数的能耗和碳足迹都显著更低。国务院国资委公开的数据称碲化镉发电玻璃全生命周期碳排放约为传统晶硅组件的六分之一，回收时玻璃和半导体材料的回收率可以超过 90%^[19][16]。

六、另外两条薄膜路线：CIGS 与钙钛矿

发电玻璃家族里另外两条路线的原理，各有各的巧思。铜铟镓硒（CIGS）用铜、铟、镓、硒的黄铜矿结构合金做吸收层，禁带宽度可以通过调整镓的比例在 1.0 到 1.7 电子伏特之间连续调节，这意味着设计师可以"定制"它最想吸收的那一段阳光；实验室效率已经做到 23% 以上，部分企业量产 CIGS 发电玻璃效率约 18% 到 20%^[20][21]。钙钛矿发电玻璃则用一种化学式为 ABX₃ 的有机—无机杂化晶体做吸收层，它的特别之处是可以做成半透明——只要把薄膜做薄，就能让一部分可见光透过玻璃照进室内，同时把紫外线和近红外变成电，透光率可在 10% 到 90% 之间定制；目前实验室小面积钙钛矿/硅叠层电池的效率已经做到 33% 以上（实验室口径，量产尚有距离），是下一代 BIPV 玻璃最被看好的方向^[22][23]。

三条路线虽然材料不同，但都是"在玻璃上长膜"，都不需要在建筑外面另架支架，因此共同构成了今天"会发电的玻璃"这个产品家族。

七、常见问题（FAQ）

问：发电玻璃和晶硅组件都是 PN 结，为什么做出来一个像玻璃、一个像板？

答：结的原理一样，但结构顺序相反。晶硅是先把硅片切好、做成电池片，再用玻璃和 EVA 把它"夹"起来保护；发电玻璃直接拿建筑玻璃当衬底，半导体薄膜就长在玻璃内侧，玻璃本身既是保护又是衬底，所以看起来就是一块玻璃^[3][4]。

问：碲化镉只有几微米厚，凭什么能发电？

答：因为 CdTe 的光吸收系数特别高，是硅的几十倍，1 微米厚的薄膜就能吸收 90% 以上的可见光。硅虽然吸收系数低，但它便宜、工艺成熟，所以需要切到 180 微米厚；CdTe 不需要，几微米就够^[7][9]。

问：发电玻璃为什么阴天也能发电？

答：一方面 CdTe 对蓝紫色散射光的光谱响应比晶硅好，另一方面它在低辐照下的复合损失更小。再加上它是整片薄膜横向导电，不存在晶硅"一片遮挡拖垮整串"的问题，所以清晨、傍晚和多云天的出力明显更高^[13][14][16]。

问：CdCl₂ 退火是什么？为什么要加氯化镉？

答：它是 CdTe 制造里的一道关键热处理。镀上一层薄氯化镉后在 400 多摄氏度退火，可以让 CdTe 晶粒长大、钝化晶界缺陷，载流子寿命因此大幅提高。没有这一步，CdTe 电池效率很难超过 10%^[3][12]。

问：CIGS 和钙钛矿发电玻璃和碲化镉有什么不同？

答：CdTe 用碲化镉做吸收层，工艺最成熟、成本最低；CIGS 用铜铟镓硒，禁带宽度可调、效率略高；钙钛矿用新型杂化晶体，最容易做成半透明和彩色，是 BIPV 玻璃的下一代方向。三者都做在玻璃衬底上，都属于薄膜发电玻璃^[20][22]。

问：一块发电玻璃从玻璃原料到成品要多久？

答：以 头部薄膜组件企业 的 CdTe 产线为参照，从原片玻璃进入到成品组件下线，整条连续产线大约 4.5 小时；国内凯盛等企业的大尺寸 BIPV 玻璃产线节拍更长，但因为省掉了硅片制造和电池片串焊环节，单位瓦数的能耗和工时仍显著低于晶硅组件^[17][18]。

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参考文献

1. [1] 抖音百科. 碲化镉薄膜太阳能电池（以碲化镉为电池材料的化合物薄膜太阳能电池）. 2023. https://m.baike.com/wiki/%E7%A2%B2%E5%8C%96%E9%95%89%E8%96%84%E8%86%9C%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0/5421233
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10. [10] 全国科技企业知识转化平台. 一种碲化镉薄膜电池及制备方法发明专利（CdTe 电池层状结构）. 2026. https://m.sme-gov.cn/zhuanli/1766009.html
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18. [18] 豆丁网. 2026 年中国碲化镉太阳能电池行业研究报告（第三代 CSS 工艺数据）. 2026. https://www.docin.com/touch_new/preview_new.do?id=4952172858
19. [19] 国务院国资委. 1.92㎡ 碲化镉发电玻璃（碳排放、回收率）. 2026. http://www.sasac.gov.cn/n4470048/n32559362/n35167919/n35167924/n35167959/c35258697/content.html
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