薄膜太阳能电池

一、前言

太阳能电池板是持续获得太阳能的工具。我们常常可以看到屋顶上矩形的太阳能板，田野和草原上呈队列排列的太阳能板。但是我们原本熟知的那种太阳能电池板(长1.7米，宽0.8米，高5厘米)可能要成为历史了。因为一种新的技术已经可以很好地替代传统的硅太阳能板，能够高效、廉价地将太阳能转变为电能。这项新技术就是薄膜光电转换电池，到2010年，它们在全球产生的电能已经达到3700兆瓦。

2010年之后，薄膜太阳能电池广泛进入商业大楼和家居房屋中，产电量得到进一步提高，从加州到肯尼亚再到中国，都是如此。除了灵活性之外，下文将继续讨论薄膜太阳能电池与传统太阳能电池相比的优缺点，它们更加高效的原因，以及薄膜太阳能电池是否能够成为煤和核能的替代品等问题。

 

二、薄膜太阳能电池

如果你使用过太阳能计算器，你就知道太阳能电池是基于薄膜技术的。显然，计算器中的太阳能电池不大也不笨重，大多数只有2.5厘米长，0.6厘米宽，厚度很薄。薄膜太阳能电池这个名字就是根据其厚度特征定义出来的。硅晶太阳能电池有350微米左右厚的吸光层，但是薄膜太阳能电池的吸光层只有1微米厚。1微米也就是1米的百万分之一。

薄膜太阳能电池的生产者们开始减少吸光材料的层数，比如基体上的半导体、涂层玻璃等。用作半导体的材料不需要很厚，因为它们吸收太阳能非常高效。所以，薄膜太阳能电池轻质、耐用、简单。根据所用半导体的类型，薄膜太阳能电池主要有以下三类：非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。非晶硅是传统硅晶太阳能电池的改进版，那么非晶硅的概念就很好理解了，它们被广泛应用于太阳能电子器件中，但是非晶硅也存在着一些缺点和不足。

非晶硅太阳能电池最大的问题之一就是其半导体所用的材料，硅在市场上并不容易找到，往往是供小于求;而非晶硅的效率又不够高。因此，这种电池正经历着显著的没落。更薄的非晶硅电池克服了这一缺点，但是厚度减小后的电池吸收光能的效率更低了。综上所述，硅的特性使得非晶硅电池适用于小尺寸器件，比如说计算器，但不适用于大尺寸器件，比如靠太阳能供电的建筑物。

三、薄膜太阳能电池的兴起

说起太阳能电池，目前在这一行业中起主导的是硅晶，硅晶由精炼硅制成。这一模块作为太阳能的基本技术已经存在50多年了。自从1954年第一块硅太阳能电池被发明后，其数量快速增加，目前12%到18%转变成电能的太阳辐射都通过其实现。

晶体硅材料依然在太阳能光电池材料中占据主导地位，但是，最近几年在薄膜光电池技术上也有了很多突破。在2005年的时候，晶体硅在太阳能光电池市场占到95%以上的份额。但是从那个时候开始，薄膜光电池材料在市场所占份额逐年稳步上升，到今日已经占到了25%的份额。数以百计的从事薄膜光电池技术的公司已经进入了研发和生产的新阶段。

大面积以及层叠状的薄膜光电池产品从上世纪90年代开始就已经商业化了，目前薄膜光电池产品的能量转换效率已经达到了6%到11%。能量转换效率越高，那么产生一定电量所需的面积以及其他辅助设备就越少，这是一件很划算的事情。就目前来说，薄膜太阳能电池的转换效率还是与晶体硅存在着距离，但是相比与晶体硅，薄膜太阳能电池在其他方面存在着巨大的优势。最重要的一点，就是薄膜太阳能电池的生产成本低。很多薄膜太阳能电池板都是由非晶硅制成的，而制备硅晶太阳能电池板时要使用高等硅。除此之外，薄膜太阳能电池还可以由其他半导体材料制成，包括铜铟镓硒(CIGS)材料和碲化镉材料。

四、实用薄膜光电池项目

可再生能源领域存在一个关键性的问题，就是何时规模化的太阳能光电池技术能够与从化石燃料中获得电能在价格上形成竞争或与其等价。而事实上，规模化的薄膜光电池技术在成本上已经低于核电，只是目前比烧煤获得电能的成本更高一些。

很多薄膜太阳能电池的生产者们已经成功降低了成本，目前在这一领域的领头羊是位于亚利桑那州坦佩的第一太阳能公司。第一太阳能公司在2009年通过碲化镉电池生产了1千兆瓦的电能。换句话说，1千兆瓦等同于25万个大型的家庭薄膜太阳能光电转化系统的生产总量。

第一太阳能公司在2009年实现了平均10.9%的能量转换效率，他们的产品成为薄膜产品中能量转换效率最高的产品。该公司同时还解决了生产中所使用的重金属镉的问题，通过设计循环系统以避免镉这一有害物质随着废弃物一同排放出来。

在过去的几年中，第一太阳能公司大大降低了他们的生产成本。他们的成本只相当与硅晶材料或目前市场上其他薄膜太阳能产品的一半。他们降低成本的措施包括缩短生产时间以及规模化设备的安装时间。与同行业的其他公司相比较，第一太阳能公司的规模化设备安装费用降低了10%到15%，但是他们的产量却要比生产硅晶的公司高出10%左右(在相同的设计效率下)。在接下来的五年中，第一太阳能公司将致力于将生产效率再提高15%，并且再进一步降低其生产成本。如果该公司真的能够成功地实现上述目标，那么通过规模化的薄膜太阳能装置获得电能将会与通过化石燃料获得电能一样廉价。

在将来，使用更多成规模的薄膜太阳能电池板将会是正确的一步，这意味着更多的消费者能够购买到清洁能源，但是能源生产的控制权依然会掌握在少数大公司和市政单位。此外，将能量从太阳光照射条件好的区域(如西南方)输送到光照条件差的地区，需要话费巨资去建设电能输送网络，与此同时，用于储存多余的电能然后再释放的基础设施也必不可少。能量集中生产的替代方案就是在不同地方分散生产能量。除了制造大型的新型太阳能板，我们为什么不在每一栋房子上和停车场中安装太阳能板呢?以化整为零的方式进行生产。我坚信在全美房屋和停车场中获得的太阳能，将足以提供我们所需的全部能量。其实美国目前的一些政策已经支持这一做法了。

由于薄膜太阳能板很轻便，所以将其融入到建筑物中是可行的，比如用其制造屋顶。建筑物集成太阳能光电板是一个很新的创意。其实，建筑师们早在上世纪80年代就开始用太阳能光电材料制造屋顶，而目前用于制造屋顶的玻璃材料价格昂贵、广受质疑。玻璃透光、寿命长以及不会受天气影响，但是它易碎，不是制造屋顶的理想材料。

十多年前，层叠状的非晶硅薄膜太阳能材料更加彰显了使用薄膜太阳能材料制造屋顶的优势。在2001年的时候，太阳能集成技术公司开发了一种将层叠状太阳能材料改为膜状材料并用于商业建筑的新工艺。太阳能集成技术公司是最早批量生产薄膜光电池的公司之一。到2009年的时候，有多家大公司开始进军这一领域。

关于建筑集成光电材料的应用还有其他很多可能性。比如有些时候，玻璃的光电池装置可以替代常规的建筑材料用于制造雨篷以及房屋的正面等。也有公司在生产薄膜光电池材料用于制造窗户。除此之外，发展廉价的太阳能铁路侧线，同样存在很大的潜力。每一项新技术的出现，都会带来很多实际的应用。将来的人可能会疑惑我们现在为什么要通过燃烧化石燃料以获得电能。但是我们不用等到将来，因为我们现在就可以通过薄膜光电材料将太阳光转化为电能。

审核编辑 黄昊宇