薄膜太陽能電池的應(yīng)用

太陽每個小時投射到地球表面上的能量比全球人類一年使用的總能量還多。與此同時，人類卻在與環(huán)境污染、氣候變化以及化石燃料的日漸枯竭做斗爭。太陽能技術(shù)可以很好地解決上述問題。最新的光電池技術(shù)可以將太陽光能轉(zhuǎn)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？每每被問及這個問題，大多數(shù)人給出的答案是光電池系統(tǒng)的安裝費用太高。但是新的薄膜光電池產(chǎn)品價廉物美。在不久的將來，這一技術(shù)就可以改變我們對于電能以及將太陽轉(zhuǎn)換成燃料的觀念。

太陽能電池板是持續(xù)獲得太陽能的工具。我們常常可以看到屋頂上矩形的太陽能板，田野和草原上呈隊列排列的太陽能板。但是我們原本熟知的那種太陽能電池板（長1.7米，寬0.8米，高5厘米）可能要成為歷史了。因為一種新的技術(shù)已經(jīng)可以很好地替代傳統(tǒng)的硅太陽能板，能夠高效、廉價地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＿@項新技術(shù)就是薄膜光電轉(zhuǎn)換電池，到2010年，它們在全球產(chǎn)生的電能已經(jīng)達到3700兆瓦。

2010年之后，薄膜太陽能電池廣泛進入商業(yè)大樓和家居房屋中，產(chǎn)電量得到進一步提高，從加州到肯尼亞再到中國，都是如此。除了靈活性之外，下文將繼續(xù)討論薄膜太陽能電池與傳統(tǒng)太陽能電池相比的優(yōu)缺點，它們更加高效的原因，以及薄膜太陽能電池是否能夠成為煤和核能的替代品等問題。

薄膜太陽能電池的應(yīng)用——薄膜太陽能電池的興起

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

晶體硅材料依然在太陽能光電池材料中占據(jù)主導(dǎo)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年的時候，晶體硅在太陽能光電池市場占到95%以上的份額。但是從那個時候開始，薄膜光電池材料在市場所占份額逐年穩(wěn)步上升，到今日已經(jīng)占到了25%的份額。數(shù)以百計的從事薄膜光電池技術(shù)的公司已經(jīng)進入了研發(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年代開始就已經(jīng)商業(yè)化了，目前薄膜光電池產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了6%到11%。能量轉(zhuǎn)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(shè)備就越少，這是一件很劃算的事情。就目前來說，薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還是與晶體硅存在著距離，但是相比與晶體硅，薄膜太陽能電池在其他方面存在著巨大的優(yōu)勢。最重要的一點，就是薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本低。很多薄膜太陽能電池板都是由非晶硅制成的，而制備硅晶太陽能電池板時要使用高等硅。除此之外，薄膜太陽能電池還可以由其他半導(dǎo)體材料制成，包括銅銦鎵硒（CIGS）材料和碲化鎘材料。

薄膜太陽能電池的應(yīng)用——成規(guī)模的實用薄膜光電池項目

可再生能源領(lǐng)域存在一個關(guān)鍵性的問題，就是何時規(guī)模化的太陽能光電池技術(shù)能夠與從化石燃料中獲得電能在價格上形成競爭或與其等價。而事實上，規(guī)模化的薄膜光電池技術(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能公司。第一太陽能公司在2009年通過碲化鎘電池生產(chǎn)了1千兆瓦的電能。換句話說，1千兆瓦等同于25萬個大型的家庭薄膜太陽能光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的生產(chǎn)總量。

第一太陽能公司在2009年實現(xiàn)了平均10.9%的能量轉(zhuǎn)換效率，他們的產(chǎn)品成為薄膜產(chǎn)品中能量轉(zhuǎn)換效率最高的產(chǎn)品。該公司同時還解決了生產(chǎn)中所使用的重金屬鎘的問題，通過設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)以避免鎘這一有害物質(zhì)隨著廢棄物一同排放出來。

在過去的幾年中，第一太陽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上其他薄膜太陽能產(chǎn)品的一半。他們降低成本的措施包括縮短生產(chǎn)時間以及規(guī)模化設(shè)備的安裝時間。與同行業(yè)的其他公司相比較，第一太陽能公司的規(guī)模化設(shè)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(shè)計效率下）。在接下來的五年中，第一太陽能公司將致力于將生產(chǎn)效率再提高15%，并且再進一步降低其生產(chǎn)成本。如果該公司真的能夠成功地實現(xiàn)上述目標，那么通過規(guī)模化的薄膜太陽能裝置獲得電能將會與通過化石燃料獲得電能一樣廉價。

我們能夠在每一棟房子的屋頂上安裝光電轉(zhuǎn)換裝置嗎？

在將來，使用更多成規(guī)模的薄膜太陽能電池板將會是正確的一步，這意味著更多的消費者能夠購買到清潔能源，但是能源生產(chǎn)的控制權(quán)依然會掌握在少數(shù)大公司和市政單位。此外，將能量從太陽光照射條件好的區(qū)域（如西南方）輸送到光照條件差的地區(qū)，需要話費巨資去建設(shè)電能輸送網(wǎng)絡(luò)，與此同時，用于儲存多余的電能然后再釋放的基礎(chǔ)設(shè)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能板，我們?yōu)槭裁床辉诿恳粭澐孔由虾屯＼噲鲋邪惭b太陽能板呢？以化整為零的方式進行生產(chǎn)。我堅信在全美房屋和停車場中獲得的太陽能，將足以提供我們所需的全部能量。其實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。建筑物集成太陽能光電板是一個很新的創(chuàng)意。其實，建筑師們早在上世紀80年代就開始用太陽能光電材料制造屋頂，而目前用于制造屋頂?shù)牟ＡР牧蟽r格昂貴、廣受質(zhì)疑。玻璃透光、壽命長以及不會受天氣影響，但是它易碎，不是制造屋頂?shù)睦硐氩牧稀?/p>

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

關(guān)于建筑集成光電材料的應(yīng)用還有其他很多可能性。比如有些時候，玻璃的光電池裝置可以替代常規(guī)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。除此之外，發(fā)展廉價的太陽能鐵路側(cè)線，同樣存在很大的潛力。每一項新技術(shù)的出現(xiàn)，都會帶來很多實際的應(yīng)用。將來的人可能會疑惑我們現(xiàn)在為什么要通過燃燒化石燃料以獲得電能。但是我們不用等到將來，因為我們現(xiàn)在就可以通過薄膜光電材料將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。

薄膜太陽能電池的應(yīng)用——種薄膜太陽能電池

1.非晶硅。

非晶硅薄膜是太陽能電池核心原材料之一，也稱微晶硅。按照材料的不同，當前硅太陽能電池可分為三類：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池三種。非晶硅薄膜就是相對于單晶硅和多晶硅來說的。薄膜太陽電池作為一種新型太陽能電池，由于其原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn)，因而具有廣闊的市場前景。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(zhuǎn)換效率最高，約為10%～12%，CdTe的轉(zhuǎn)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，非晶硅薄膜太陽電池逐漸從各種類型的太陽電池中脫穎而出，在全球范圍內(nèi)掀起了一股投資熱潮。大尺寸玻璃基板薄膜太陽電池投入市場，必將極大地加速光伏建筑一體化、屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以及光伏電站等的推廣和普及。同時，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(qū)建設(shè)電站。

2.銅銦鎵硒電池板。

CIGS是太陽能薄膜電池CuInxGa（1-x）Se2的簡寫，其具有穩(wěn)定性好、抗輻照性能好、成本低、效率高等優(yōu)點。小樣品CIGS薄膜太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化效率2014年12月刷新為21.7%，由德國太陽能和氫能研究機構(gòu)ZSW采用共蒸鍍法制備。大面積電池組件轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)量根據(jù)各公司制備工藝不同而有所不同，一般在10%~15%范圍內(nèi)。銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一，被國際上稱為“下一時代非常有前途的新型薄膜太陽電池”。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀，是對外觀有較高要求場所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現(xiàn)代化高層建筑等領(lǐng)域有很大市場。雖然CIGS電池具有高效率和低材料成本的優(yōu)勢，但他也面臨三個主要的問題：（1）制程復(fù)雜，投資成本高（2）關(guān)鍵原料的供應(yīng)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(dǎo)體，帶隙1.5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有很高的理論效率（28%），性能很穩(wěn)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薄膜太陽電池是太陽能電池中最容易制造的，因而它向商品化進展最快。提高效率就是要對電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進行優(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(yīng)以提高短路電流密度，較高轉(zhuǎn)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，以適于廉價的玻璃作襯底;實驗室成果走向產(chǎn)業(yè)，必須經(jīng)過組件以及生產(chǎn)模式的設(shè)計、研究和優(yōu)化過程。

4.有機薄膜太陽能電池。

有機太陽能電池，顧名思義，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。主要是以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流， 實現(xiàn)太陽能發(fā)電的效果。有機薄膜太陽能電池具有材料潛在的低價格、加工容易、可大面積成膜、分子及薄膜性質(zhì)的可設(shè)計性、質(zhì)輕、柔性等顯著優(yōu)點，但有機半導(dǎo)體的載流子遷移率較無機半導(dǎo)體低、穩(wěn)定性差。目前有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率很低，只有將光電轉(zhuǎn)換效率提高到5%以上才可能大規(guī)模應(yīng)用。