薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用
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一年使用的總能量還多。與此同時(shí)，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(zhēng)。太陽(yáng)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(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能，相比普通可再生能源更有優(yōu)勢(shì)。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(gè)問題，大多數(shù)人給出的答案是光電池系統(tǒng)的安裝費(fèi)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(duì)于電能以及將太陽(yáng)轉(zhuǎn)換成燃料的觀念。
太陽(yáng)能電池板是持續(xù)獲得太陽(yáng)能的工具。我們常?？梢钥吹轿蓓斏暇匦蔚奶?yáng)能板，田野和草原上呈隊(duì)列排列的太陽(yáng)能板。但是我們?cè)臼熘哪欠N太陽(yáng)能電池板（長(zhǎng)1.7米，寬0.8米，高5厘米）可能要成為歷史了。因?yàn)橐环N新的技術(shù)已經(jīng)可以很好地替代傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能板，能夠高效、廉價(jià)地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這項(xiàng)新技術(shù)就是薄膜光電轉(zhuǎn)換電池，到2010年，它們?cè)谌虍a(chǎn)生的電能已經(jīng)達(dá)到3700兆瓦。
2010年之后，薄膜太陽(yáng)能電池廣泛進(jìn)入商業(yè)大樓和家居房屋中，產(chǎn)電量得到進(jìn)一步提高，從加州到肯尼亞再到中國(guó)，都是如此。除了靈活性之外，下文將繼續(xù)討論薄膜太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比的優(yōu)缺點(diǎn)，它們更加高效的原因，以及薄膜太陽(yáng)能電池是否能夠成為煤和核能的替代品等問題。
薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用——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(dǎo)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(shù)量快速增加，目前12%到18%轉(zhuǎn)變成電能的太陽(yáng)輻射都通過其實(shí)現(xiàn)。
晶體硅材料依然在太陽(yáng)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(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)候開始，薄膜光電池材料在市場(chǎng)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(jì)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(jì)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(dá)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(lái)說(shuō)，薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池在其他方面存在著巨大的優(yōu)勢(shì)。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(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(yáng)能電池的應(yīng)用——成規(guī)模的實(shí)用薄膜光電池項(xiàng)目
可再生能源領(lǐng)域存在一個(gè)關(guān)鍵性的問題，就是何時(shí)規(guī)?；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(jìng)爭(zhēng)或與其等價(jià)。而事實(shí)上，規(guī)?；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年通過碲化鎘電池生產(chǎn)了1千兆瓦的電能。換句話說(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(zhuǎn)化系統(tǒng)的生產(chǎn)總量。
第一太陽(yáng)能公司在2009年實(shí)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(shí)還解決了生產(chǎn)中所使用的重金屬鎘的問題，通過設(shè)計(jì)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(lái)。
在過去的幾年中，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(dāng)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(guī)?；O(shè)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(guī)?；O(shè)備安裝費(fèi)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(jì)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(xiàn)上述目標(biāo)，那么通過規(guī)?；谋∧ぬ?yáng)能裝置獲得電能將會(huì)與通過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(zhuǎn)換裝置嗎？
在將來(lái)，使用更多成規(guī)模的薄膜太陽(yáng)能電池板將會(huì)是正確的一步，這意味著更多的消費(fèi)者能夠購(gòu)買到清潔能源，但是能源生產(chǎn)的控制權(quán)依然會(huì)掌握在少數(shù)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(qū)域（如西南方）輸送到光照條件差的地區(qū)，需要話費(fèi)巨資去建設(shè)電能輸送網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，用于儲(chǔ)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(yáng)能板，我們?yōu)槭裁床辉诿恳粭澐孔由虾屯＼噲?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(jiān)信在全美房屋和停車場(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(guó)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?cè)缭谏鲜兰o(jì)80年代就開始用太陽(yáng)能光電材料制造屋頂，而目前用于制造屋頂?shù)牟ＡР牧蟽r(jià)格昂貴、廣受質(zhì)疑。玻璃透光、壽命長(zhǎng)以及不會(huì)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(yáng)能材料更加彰顯了使用薄膜太陽(yáng)能材料制造屋頂?shù)膬?yōu)勢(shì)。在2001年的時(shí)候，太陽(yáng)能集成技術(shù)公司開發(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，有多家大公司開始進(jìn)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(shí)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(jià)的太陽(yáng)能鐵路側(cè)線，同樣存在很大的潛力。每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，都會(huì)帶來(lái)很多實(shí)際的應(yīng)用。將來(lái)的人可能會(huì)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(lái)，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在就可以通過薄膜光電材料將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。
薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用——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，也稱微晶硅。按照材料的不同，當(dāng)前硅太陽(yáng)能電池可分為三類：?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(duì)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(guī)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(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(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)電池逐漸從各種類型的太陽(yáng)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(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(tǒng)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(qū)建設(shè)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，其具有穩(wěn)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(zhuǎn)化效率2014年12月刷新為21.7%，由德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究機(jī)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(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(zhuǎn)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(guó)際上稱為“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，是對(duì)外觀有較高要求場(chǎng)所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現(xiàn)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(shì)，但他也面臨三個(gè)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(yáng)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(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(duì)電池結(jié)構(gòu)及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)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(jì)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(yàn)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(jì)、研究和優(yōu)化過程。
4.有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。
有機(jī)太陽(yáng)能電池，顧名思義，就是由有機(jī)材料構(gòu)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(jī)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的效果。有機(jī)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(shè)計(jì)性、質(zhì)輕、柔性等顯著優(yōu)點(diǎn)，但有機(jī)半導(dǎo)體的載流子遷移率較無(wú)機(jī)半導(dǎo)體低、穩(wěn)定性差。目前有機(jī)太陽(yáng)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。