薄膜太陽(yáng)能電池前途在哪？

　　太陽(yáng)每個(gè)小時(shí)投射到地球表面上的能量比全球人類(lèi)一年使用的總能量還多。與此同時(shí)，人類(lèi)卻在與環(huán)境污染、氣候變化以及化石燃料的日漸枯竭做斗爭。太陽(yáng)能技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題。最新的光電池技術(shù)可以將太陽(yáng)光能轉換成電能，相比普通可再生能源更有優(yōu)勢。那么我們?yōu)槭裁床皇褂眠@種卓越的技術(shù)為我們的家庭供能呢?每每被問(wèn)及這個(gè)問(wèn)題，大多數人給出的答案是光電池系統的安裝費用太高。但是新的薄膜光電池產(chǎn)品價(jià)廉物美。在不久的將來(lái)，這一技術(shù)就可以改變我們對于電能以及將太陽(yáng)轉換成燃料的觀(guān)念。

　　薄膜太陽(yáng)能電池的興起

　　說(shuō)起太陽(yáng)能電池，目前在這一行業(yè)中起主導的是硅晶，硅晶由精煉硅制成。這一模塊作為太陽(yáng)能的基本技術(shù)已經(jīng)存在50多年了。自從1954年第一塊硅太陽(yáng)能電池被發(fā)明后，其數量快速增加，目前12%到18%轉變成電能的太陽(yáng)輻射都通過(guò)其實(shí)現。

　　晶體硅材料依然在太陽(yáng)能光電池材料中占據主導地位，但是，最近幾年在薄膜光電池技術(shù)上也有了很多突破。在2005年的時(shí)候，晶體硅在太陽(yáng)能光電池市場(chǎng)占到95%以上的份額。但是從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，薄膜光電池材料在市場(chǎng)所占份額逐年穩步上升，到今日已經(jīng)占到了25%的份額。數以百計的從事薄膜光電池技術(shù)的公司已經(jīng)進(jìn)入了研發(fā)和生產(chǎn)的新階段。

　　大面積以及層疊狀的薄膜光電池產(chǎn)品從上世紀90年代開(kāi)始就已經(jīng)商業(yè)化了，目前薄膜光電池產(chǎn)品的能量轉換效率已經(jīng)達到了6%到11%。能量轉換效率越高，那么產(chǎn)生一定電量所需的面積以及其他輔助設備就越少，這是一件很劃算的事情。就目前來(lái)說(shuō)，薄膜太陽(yáng)能電池的轉換效率還是與晶體硅存在著(zhù)距離，但是相比與晶體硅，薄膜太陽(yáng)能電池在其他方面存在著(zhù)巨大的優(yōu)勢。最重要的一點(diǎn)，就是薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本低。很多薄膜太陽(yáng)能電池板都是由非晶硅制成的，而制備硅晶太陽(yáng)能電池板時(shí)要使用高等硅。除此之外，薄膜太陽(yáng)能電池還可以由其他半導體材料制成，包括銅銦鎵硒(CIGS)材料和碲化鎘材料。

　　太陽(yáng)能技術(shù)的廣闊前景——成規模的實(shí)用薄膜光電池項目

　　可再生能源領(lǐng)域存在一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，就是何時(shí)規?；奶?yáng)能光電池技術(shù)能夠與從化石燃料中獲得電能在價(jià)格上形成競爭或與其等價(jià)。而事實(shí)上，規?；谋∧す怆姵丶夹g(shù)在成本上已經(jīng)低于核電，只是目前比燒煤獲得電能的成本更高一些。

　　很多薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)者們已經(jīng)成功降低了成本，目前在這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊是位于亞利桑那州坦佩的第一太陽(yáng)能公司。第一太陽(yáng)能公司在2009年通過(guò)碲化鎘電池生產(chǎn)了1千兆瓦的電能。換句話(huà)說(shuō)，1千兆瓦等同于25萬(wàn)個(gè)大型的家庭薄膜太陽(yáng)能光電轉化系統的生產(chǎn)總量。

　　第一太陽(yáng)能公司在2009年實(shí)現了平均10.9%的能量轉換效率，他們的產(chǎn)品成為薄膜產(chǎn)品中能量轉換效率最高的產(chǎn)品。該公司同時(shí)還解決了生產(chǎn)中所使用的重金屬鎘的問(wèn)題，通過(guò)設計循環(huán)系統以避免鎘這一有害物質(zhì)隨著(zhù)廢棄物一同排放出來(lái)。

　　在過(guò)去的幾年中，第一太陽(yáng)能公司大大降低了他們的生產(chǎn)成本。他們的成本只相當與硅晶材料或目前市場(chǎng)上其他薄膜太陽(yáng)能產(chǎn)品的一半。他們降低成本的措施包括縮短生產(chǎn)時(shí)間以及規?；O備的安裝時(shí)間。與同行業(yè)的其他公司相比較，第一太陽(yáng)能公司的規?；O備安裝費用降低了10%到15%，但是他們的產(chǎn)量卻要比生產(chǎn)硅晶的公司高出10%左右(在相同的設計效率下)。在接下來(lái)的五年中，第一太陽(yáng)能公司將致力于將生產(chǎn)效率再提高15%，并且再進(jìn)一步降低其生產(chǎn)成本。如果該公司真的能夠成功地實(shí)現上述目標，那么通過(guò)規?；谋∧ぬ?yáng)能裝置獲得電能將會(huì )與通過(guò)化石燃料獲得電能一樣廉價(jià)。

　　我們能夠在每一棟房子的屋頂上安裝光電轉換裝置嗎?

　　在將來(lái)，使用更多成規模的薄膜太陽(yáng)能電池板將會(huì )是正確的一步，這意味著(zhù)更多的消費者能夠購買(mǎi)到清潔能源，但是能源生產(chǎn)的控制權依然會(huì )掌握在少數大公司和市政單位。此外，將能量從太陽(yáng)光照射條件好的區域(如西南方)輸送到光照條件差的地區，需要話(huà)費巨資去建設電能輸送網(wǎng)絡(luò )，與此同時(shí)，用于儲存多余的電能然后再釋放的基礎設施也必不可少。能量集中生產(chǎn)的替代方案就是在不同地方分散生產(chǎn)能量。除了制造大型的新型太陽(yáng)能板，我們?yōu)槭裁床辉诿恳粭澐孔由虾屯＼?chē)場(chǎng)中安裝太陽(yáng)能板呢?以化整為零的方式進(jìn)行生產(chǎn)。我堅信在全美房屋和停車(chē)場(chǎng)中獲得的太陽(yáng)能，將足以提供我們所需的全部能量。其實(shí)美國目前的一些政策已經(jīng)支持這一做法了。

　　由于薄膜太陽(yáng)能板很輕便，所以將其融入到建筑物中是可行的，比如用其制造屋頂。建筑物集成太陽(yáng)能光電板是一個(gè)很新的創(chuàng )意。其實(shí)，建筑師們早在上世紀80年代就開(kāi)始用太陽(yáng)能光電材料制造屋頂，而目前用于制造屋頂的玻璃材料價(jià)格昂貴、廣受質(zhì)疑。玻璃透光、壽命長(cháng)以及不會(huì )受天氣影響，但是它易碎，不是制造屋頂的理想材料。

　　十多年前，層疊狀的非晶硅薄膜太陽(yáng)能材料更加彰顯了使用薄膜太陽(yáng)能材料制造屋頂的優(yōu)勢。在2001年的時(shí)候，太陽(yáng)能集成技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了一種將層疊狀太陽(yáng)能材料改為膜狀材料并用于商業(yè)建筑的新工藝。太陽(yáng)能集成技術(shù)公司是最早批量生產(chǎn)薄膜光電池的公司之一。到2009年的時(shí)候，有多家大公司開(kāi)始進(jìn)軍這一領(lǐng)域。

　　關(guān)于建筑集成光電材料的應用還有其他很多可能性。比如有些時(shí)候，玻璃的光電池裝置可以替代常規的建筑材料用于制造雨篷以及房屋的正面等。也有公司在生產(chǎn)薄膜光電池材料用于制造窗戶(hù)。除此之外，發(fā)展廉價(jià)的太陽(yáng)能鐵路側線(xiàn)，同樣存在很大的潛力。每一項新技術(shù)的出現，都會(huì )帶來(lái)很多實(shí)際的應用。將來(lái)的人可能會(huì )疑惑我們現在為什么要通過(guò)燃燒化石燃料以獲得電能。但是我們不用等到將來(lái)，因為我們現在就可以通過(guò)薄膜光電材料將太陽(yáng)光轉化為電能。

　　四種薄膜太陽(yáng)能電池

　　1.非晶硅。非晶硅薄膜是太陽(yáng)能電池核心原材料之一，也稱(chēng)微晶硅。按照材料的不同，當前硅太陽(yáng)能電池可分為三類(lèi)：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池三種。非晶硅薄膜就是相對于單晶硅和多晶硅來(lái)說(shuō)的。薄膜太陽(yáng)電池作為一種新型太陽(yáng)能電池，由于其原材料來(lái)源廣泛、生產(chǎn)成本低、便于大規模生產(chǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。薄膜電池基本上分為：非/微晶硅薄膜電池、CIGS薄膜電池和CdTe薄膜電池三種。其中，GIGS的轉換效率最高，約為10%～12%，CdTe的轉換效率次之，約為8.5%～10.5%，非/微晶電池最低，一般為6%～8%;但從原材料的可獲取性來(lái)看，非/微晶電池的原材料為硅烷，最為普遍，而另外兩種電池的原材料中均包含稀有元素化合物，可獲取性較低。近年來(lái)，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池逐漸從各種類(lèi)型的太陽(yáng)電池中脫穎而出，在全球范圍內掀起了一股投資熱潮。大尺寸玻璃基板薄膜太陽(yáng)電池投入市場(chǎng)，必將極大地加速光伏建筑一體化、屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統以及光伏電站等的推廣和普及。同時(shí)，非晶硅薄膜電池在高氣溫條件下衰減微弱，所以也適合高溫、荒漠地區建設電站。

　　2.銅銦鎵硒電池板。CIGS是太陽(yáng)能薄膜電池CuInxGa(1-x)Se2的簡(jiǎn)寫(xiě)，其具有穩定性好、抗輻照性能好、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。小樣品CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的最高轉化效率2014年12月刷新為21.7%，由德國太陽(yáng)能和氫能研究機構ZSW采用共蒸鍍法制備。大面積電池組件轉化效率及產(chǎn)量根據各公司制備工藝不同而有所不同，一般在10%~15%范圍內。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點(diǎn)，光電轉換效率居各種薄膜太陽(yáng)能電池之首，接近晶體硅太陽(yáng)電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一，被國際上稱(chēng)為“下一時(shí)代非常有前途的新型薄膜太陽(yáng)電池”。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀(guān)，是對外觀(guān)有較高要求場(chǎng)所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現代化高層建筑等領(lǐng)域有很大市場(chǎng)。雖然CIGS電池具有高效率和低材料成本的優(yōu)勢，但他也面臨三個(gè)主要的問(wèn)題：(1)制程復雜，投資成本高(2)關(guān)鍵原料的供應不足(3)緩沖層CdS具有潛在的毒性。

　　3.碲化鎘。CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，帶隙1.5eV，與太陽(yáng)光譜非常匹配，最適合于光電能量轉換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率(28%)，性能很穩定，一直被光伏界看重，是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。CdTe薄膜太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能電池中最容易制造的，因而它向商品化進(jìn)展最快。提高效率就是要對電池結構及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化，適當減薄窗口層CdS的厚度，可減少入射光的損失，從而增加電池短波響應以提高短路電流密度，較高轉換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創(chuàng )了最高紀錄。要降低成本，就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下，以適于廉價(jià)的玻璃作襯底;實(shí)驗室成果走向產(chǎn)業(yè)，必須經(jīng)過(guò)組件以及生產(chǎn)模式的設計、研究和優(yōu)化過(guò)程。

　　4.有機薄膜太陽(yáng)能電池。有機太陽(yáng)能電池，顧名思義，就是由有機材料構成核心部分的太陽(yáng)能電池。主要是以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導體的材料，以光伏效應而產(chǎn)生電壓形成電流, 實(shí)現太陽(yáng)能發(fā)電的效果。有機薄膜太陽(yáng)能電池具有材料潛在的低價(jià)格、加工容易、可大面積成膜、分子及薄膜性質(zhì)的可設計性、質(zhì)輕、柔性等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，但有機半導體的載流子遷移率較無(wú)機半導體低、穩定性差。目前有機太陽(yáng)能電池光電轉換效率很低，只有將光電轉換效率提高到5%以上才可能大規模應用。