薄膜太阳能电池发展前景详细分析

前言

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。

你准备好将太阳能代入你的家庭了吗？目前薄膜太阳能技术的发展预示着一个人人都能通过太阳能获得清洁能源的美好将来。

太阳每个小时投射到地球表面上的能量比全球人类一年使用的总能量还多。与此同时，人类却在与环境污染、气候变化以及化石燃料的日渐枯竭做斗争。太阳能技术可以很好地解决上述问题。最新的光电池技术可以将太阳光能转换成电能，相比普通可再生能源更有优势。那么我们为什么不使用这种卓越的技术为我们的家庭供能呢？每每被问及这个问题，大多数人给出的答案是光电池系统的安装费用太高。但是新的薄膜光电池产品价廉物美。在不久的将来，这一技术就可以改变我们对于电能以及将太阳转换成燃料的观念。

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。

太阳能技术的广阔前景——成规模的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。

我们能够在每一栋房子的屋顶上安装光电转换装置吗？

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。

四种薄膜太阳能电池

1.非晶硅。非晶硅薄膜是太阳能电池核心原材料之一，也称微晶硅。按照材料的不同，当前硅太阳能电池可分为三类：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池三种。非晶硅薄膜就是相对于单晶硅和多晶硅来说的。薄膜太阳电池作为一种新型太阳能电池，由于其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。薄膜电池基本上分为：非/微晶硅薄膜电池、CIGS薄膜电池和CdTe薄膜电池三种。其中，GIGS的转换效率最高，约为10%～12%，CdTe的转换效率次之，约为8.5%～10.5%，非/微晶电池最低，一般为6%～8%；但从原材料的可获取性来看，非/微晶电池的原材料为硅烷，最为普遍，而另外两种电池的原材料中均包含稀有元素化合物，可获取性较低。近年来，非晶硅薄膜太阳电池逐渐从各种类型的太阳电池中脱颖而出，在全球范围内掀起了一股投资热潮。大尺寸玻璃基板薄膜太阳电池投入市场，必将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统以及光伏电站等的推广和普及。同时，非晶硅薄膜电池在高气温条件下衰减微弱，所以也适合高温、荒漠地区建设电站。

2.铜铟镓硒电池板。CIGS是太阳能薄膜电池CuInxGa（1-x）Se2的简写，其具有稳定性好、抗辐照性能好、成本低、效率高等优点。小样品CIGS薄膜太阳能电池的最高转化效率2014年12月刷新为21.7%，由德国太阳能和氢能研究机构ZSW采用共蒸镀法制备。大面积电池组件转化效率及产量根据各公司制备工艺不同而有所不同，一般在10%~15%范围内。铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近晶体硅太阳电池，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。此外，该电池具有柔和、均匀的黑色外观，是对外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等，在现代化高层建筑等领域有很大市场。虽然CIGS电池具有高效率和低材料成本的优势，但他也面临三个主要的问题：（1）制程复杂，投资成本高（2）关键原料的供应不足（3）缓冲层CdS具有潜在的毒性。

3.碲化镉。CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很高的理论效率（28%），性能很稳定，一直被光伏界看重，是技术上发展较快的一种薄膜电池。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。CdTe薄膜太阳电池是太阳能电池中最容易制造的，因而它向商品化进展最快。提高效率就是要对电池结构及各层材料工艺进行优化，适当减薄窗口层CdS的厚度，可减少入射光的损失，从而增加电池短波响应以提高短路电流密度，较高转换效率的CdTe电池就采用了较薄的CdS窗口层而创了最高纪录。要降低成本，就必须将CdTe的沉积温度降到550℃以下，以适于廉价的玻璃作衬底;实验室成果走向产业，必须经过组件以及生产模式的设计、研究和优化过程。

4.有机薄膜太阳能电池。有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流， 实现太阳能发电的效果。有机薄膜太阳能电池具有材料潜在的低价格、加工容易、可大面积成膜、分子及薄膜性质的可设计性、质轻、柔性等显著优点，但有机半导体的载流子迁移率较无机半导体低、稳定性差。目前有机太阳能电池光电转换效率很低，只有将光电转换效率提高到5%以上才可能大规模应用。