在當(dāng)今追求可持續(xù)能源的時(shí)代，太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生的能源，受到了廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能電池作為將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)的發(fā)展對(duì)于太陽(yáng)能的有效利用至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹薄膜太陽(yáng)能電池的相關(guān)知識(shí)，包括其定義、興起過(guò)程、特性以及實(shí)際應(yīng)用等。
太陽(yáng)能電池板是獲取太陽(yáng)能的重要工具，我們常見(jiàn)的屋頂矩形太陽(yáng)能板、田野和草原上成隊(duì)列排列的太陽(yáng)能板，大多是傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能板。然而，傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能板（長(zhǎng) 1.7 米，寬 0.8 米，高 5 厘米）可能即將成為歷史。一種新的技術(shù) —— 薄膜光電轉(zhuǎn)換電池，已經(jīng)能夠高效、廉價(jià)地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋５?2010 年，薄膜太陽(yáng)能電池在產(chǎn)生的電能已達(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，產(chǎn)電量進(jìn)一步提高，從加州到肯尼亞再到中國(guó)，都能看到其應(yīng)用的身影。除了靈活性之外，薄膜太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，還具有諸多優(yōu)缺點(diǎn)，其高效的原因以及是否能成為煤和核能的替代品等問(wèn)題，也值得我們深入探討。
如果你使用過(guò)太陽(yáng)能計(jì)算器，就會(huì)對(duì)基于薄膜技術(shù)的太陽(yáng)能電池有所了解。計(jì)算器中的太陽(yáng)能電池體積小巧、厚度很薄，大多數(shù)只有 2.5 厘米長(zhǎng)，0.6 厘米寬。薄膜太陽(yáng)能電池正是因其厚度特征而得名。硅晶太陽(yáng)能電池的吸光層約有 350 微米厚，而薄膜太陽(yáng)能電池的吸光層僅 1 微米厚，1 微米是 1 米的百萬(wàn)分之一。
薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)者通過(guò)減少吸光材料的層數(shù)，如基體上的半導(dǎo)體、涂層玻璃等，使得電池更加輕質(zhì)、耐用和簡(jiǎn)單。根據(jù)所用半導(dǎo)體的類型，薄膜太陽(yáng)能電池主要分為非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒三類。非晶硅是傳統(tǒng)硅晶太陽(yáng)能電池的改進(jìn)版，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電子器件中，但也存在一些缺點(diǎn)。非晶硅太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料硅在市場(chǎng)上供應(yīng)不足，且其效率不夠高，導(dǎo)致這種電池逐漸沒(méi)落。雖然更薄的非晶硅電池在一定程度上克服了這些問(wèn)題，但厚度減小后，電池吸收光能的效率更低。因此，硅的特性使得非晶硅電池適用于小尺寸器件，如計(jì)算器，而不適用于大尺寸器件，如太陽(yáng)能供電的建筑物。
目前，在太陽(yáng)能電池行業(yè)中，硅晶占據(jù)主導(dǎo)地位，硅晶由精煉硅制成，這一技術(shù)作為太陽(yáng)能的基本技術(shù)已經(jīng)存在了 50 多年。自 1954 年塊硅太陽(yáng)能電池發(fā)明以來(lái)，其數(shù)量迅速增加，目前 12% - 18% 的太陽(yáng)輻射通過(guò)硅晶太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為電能。然而，近年來(lái)薄膜光電池技術(shù)取得了很多突破。2005 年，晶體硅在太陽(yáng)能光電池市場(chǎng)的份額超過(guò) 95%，但從那時(shí)起，薄膜光電池材料的市場(chǎng)份額逐年穩(wěn)步上升，如今已占到 25%。數(shù)以百計(jì)的從事薄膜光電池技術(shù)的公司已進(jìn)入研發(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(kāi)始商業(yè)化，目前其能量轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 6% - 11%。能量轉(zhuǎn)換效率越高，產(chǎn)生一定電量所需的面積和輔助設(shè)備就越少，這是非常劃算的。雖然目前薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率與晶體硅仍有差距，但在其他方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，重要的是其生產(chǎn)成本低。許多薄膜太陽(yáng)能電池板由非晶硅制成，而制備硅晶太陽(yáng)能電池板需要使用高等硅。此外，薄膜太陽(yáng)能電池還可以由其他半導(dǎo)體材料制成，如銅銦鎵硒（CIGS）材料和碲化鎘材料。
在可再生能源領(lǐng)域，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是規(guī)?；奶?yáng)能光電池技術(shù)何時(shí)能在價(jià)格上與化石燃料發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)或等價(jià)。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，只是目前比燒煤發(fā)電的成本略高。
位于亞利桑那州坦佩的太陽(yáng)能公司是薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的佼佼者。2009 年，該公司通過(guò)碲化鎘電池生產(chǎn)了 1 千兆瓦的電能，相當(dāng)于 25 萬(wàn)個(gè)大型家庭薄膜太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的生產(chǎn)總量。2009 年，太陽(yáng)能公司實(shí)現(xiàn)了平均 10.9% 的能量轉(zhuǎn)換效率，其產(chǎn)品成為薄膜產(chǎn)品中能量轉(zhuǎn)換效率的產(chǎn)品。該公司還解決了生產(chǎn)中使用的重金屬鎘的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)循環(huán)系統(tǒng)避免鎘隨廢棄物排放。
在過(guò)去幾年中，太陽(yáng)能公司大幅降低了生產(chǎn)成本，僅為硅晶材料或其他薄膜太陽(yáng)能產(chǎn)品的一半。其降低成本的措施包括縮短生產(chǎn)時(shí)間和規(guī)?；O(shè)備的安裝時(shí)間。與同行業(yè)其他公司相比，太陽(yáng)能公司的規(guī)?；O(shè)備安裝費(fèi)用降低了 10% - 15%，產(chǎn)量比生產(chǎn)硅晶的公司高出 10% 左右（在相同設(shè)計(jì)效率下）。未來(lái)五年，該公司將致力于將生產(chǎn)效率提高 15%，并進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。如果能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，規(guī)?；谋∧ぬ?yáng)能裝置發(fā)電將與化石燃料發(fā)電一樣廉價(jià)。
未來(lái)，使用更多成規(guī)模的薄膜太陽(yáng)能電池板是正確的選擇，這意味著更多消費(fèi)者能夠購(gòu)買到清潔能源。但能源生產(chǎn)的控制權(quán)仍將掌握在少數(shù)大公司和市政單位手中。此外，將能量從光照條件好的區(qū)域輸送到光照條件差的地區(qū)，需要建設(shè)昂貴的電能輸送網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)儲(chǔ)存多余電能的基礎(chǔ)設(shè)施也必不可少。能量集中生產(chǎn)的替代方案是分散生產(chǎn)能量，例如在每一棟房子和停車場(chǎng)安裝太陽(yáng)能板。美國(guó)目前的一些政策已經(jīng)支持這一做法。
由于薄膜太陽(yáng)能板很輕便，將其融入建筑物中是可行的，如用于制造屋頂。建筑物集成太陽(yáng)能光電板是一個(gè)新的創(chuàng)意，建筑師在上世紀(jì) 80 年代就開(kāi)始用太陽(yáng)能光電材料制造屋頂，但目前用于制造屋頂?shù)牟ＡР牧蟽r(jià)格昂貴且易碎，不是理想的材料。十多年前，層疊狀的非晶硅薄膜太陽(yáng)能材料凸顯了使用薄膜太陽(yáng)能材料制造屋頂?shù)膬?yōu)勢(shì)。2001 年，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。到 2009 年，多家大公司開(kāi)始進(jìn)軍這一領(lǐng)域。
建筑集成光電材料還有很多其他應(yīng)用可能性，如玻璃光電池裝置可替代常規(guī)建筑材料用于制造雨篷和房屋正面，也有公司生產(chǎn)用于制造窗戶的薄膜光電池材料。此外，發(fā)展廉價(jià)的太陽(yáng)能鐵路側(cè)線也具有很大潛力。每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)都會(huì)帶來(lái)很多實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)人們可能會(huì)疑惑為什么現(xiàn)在還通過(guò)燃燒化石燃料發(fā)電，而我們現(xiàn)在就可以通過(guò)薄膜光電材料將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。
