薄膜太陽能電池前途在哪？
目前薄膜太陽能技術的發展預示著一個人人都能通過太陽能獲得清潔能源的美好將來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可以很好地解決上述問題
最新的光電池技術可以將太陽光能轉換成電能相比普通可再生能源更有優勢那么我們為什么不使用這種卓越的技術為我們的家庭供能呢?每每被問及這個問題大多數人給出的答案是光電池系統的安裝費用太高但是新的薄膜光電池產品價廉物美在不久的將來這一技術就可以改變我們對于電能以及將太陽轉換成燃料的觀念
薄膜太陽能電池的興起
說起太陽能電池目前在這一行業中起主導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已經存在50多年了自從1954年第一塊硅太陽能電池被發明后其數量快速增加目前12%到18%轉變成電能的太陽輻射都通過其實現
晶體硅材料依然在太陽能光電池材料中占據主導地位但是最近幾年在薄膜光電池技術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步上升到今日已經占到了25%的份額數以百計的從事薄膜光電池技術的公司已經進入了研發和生產的新階段
大面積以及層疊狀的薄膜光電池產品從上世紀90年代開始就已經商業化了目前薄膜光電池產品的能量轉換效率已經達到了6%到11%能量轉換效率越高那么產生一定電量所需的面積以及其他輔助設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勢最重要的一點就是薄膜太陽能電池的生產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體材料制成包括銅銦鎵硒CIGS材料和碲化鎘材料
太陽能技術的廣闊前景成規模的實用薄膜光電池項目
可再生能源領域存在一個關鍵性的問題就是何時規模化的太陽能光電池技術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模化的薄膜光電池技術在成本上已經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者們已經成功降低了成本目前在這一領域的領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化系統的生產總量
第一太陽能公司在2009年實現了平均10.9%的能量轉換效率他們的產品成為薄膜產品中能量轉換效率最高的產品該公司同時還解決了生產中所使用的重金屬鎘的問題通過設計循環系統以避免鎘這一有害物質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品的一半他們降低成本的措施包括縮短生產時間以及規模化設備的安裝時間與同行業的其他公司相比較第一太陽能公司的規模化設備安裝費用降低了10%到15%但是他們的產量卻要比生產硅晶的公司高出10%左右在相同的設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效率再提高15%并且再進一步降低其生產成本如果該公司真的能夠成功地實現上述目標那么通過規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換裝置嗎?
在將來使用更多成規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的控制權依然會掌握在少數大公司和市政單位此外將能量從太陽光照射條件好的區域如西南方輸送到光照條件差的地區需要話費巨資去建設電能輸送網絡與此同時用于儲存多余的電能然后再釋放的基礎設施也必不可少能量集中生產的替代方案就是在不同地方分散生產能量除了制造大型的新型太陽能板我們為什么不在每一棟房子上和停車場中安裝太陽能板呢?以化整為零的方式進行生產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的玻璃材料價格昂貴廣受質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的理想材料
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的優勢在2001年的時候太陽能集成技術公司開發了一種將層疊狀太陽能材料改為膜狀材料并用于商業建筑的新工藝太陽能集成技術公司是最早批量生產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域
關于建筑集成光電材料的應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薄膜光電池材料用于制造窗戶除此之外發展廉價的太陽能鐵路側線同樣存在很大的潛力每一項新技術的出現都會帶來很多實際的應用將來的人可能會疑惑我們現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在就可以通過薄膜光電材料將太陽光轉化為電能
四種薄膜太陽能電池
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成本低便于大規模生產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的轉換效率最高約為10%～12%CdTe的轉換效率次之約為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發電系統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建設電站
2. 銅銦鎵硒電池板CIGS是太陽能薄膜電池CuInxGa1-xSe2的簡寫其具有穩定性好抗輻照性能好成本低效率高等優點小樣品CIGS薄膜太陽能電池的最高轉化效率2014年12月刷新為21.7%由德國太陽能和氫能研究機構ZSW采用共蒸鍍法制備大面積電池組件轉化效率及產量根據各公司制備工藝不同而有所不同一般在10%~15%范圍內銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有生產成本低污染小不衰退弱光性能好等特點光電轉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代化高層建筑等領域有很大市場雖然CIGS電池具有高效率和低材料成本的優勢但他也面臨三個主要的問題1制程復雜投資成本高2關鍵原料的供應不足3緩沖層CdS具有潛在的毒性
3. 碲化鎘CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體帶隙1.5eV與太陽光譜非常匹配最適合于光電能量轉換是一種良好的PV材料具有很高的理論效率28%性能很穩定一直被光伏界看重是技術上發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構及各層材料工藝進行優化適當減薄窗口層CdS的厚度可減少入射光的損失從而增加電池短波響應以提高短路電流密度較高轉換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創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;實驗室成果走向產業必須經過組件以及生產模式的設計研究和優化過程
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成核心部分的太陽能電池主要是以具有光敏性質的有機物作為半導體的材料以光伏效應而產生電壓形成電流,實現太陽能發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的可設計性質輕柔性等顯著優點但有機半導體的載流子遷移率較無機半導體低穩定性差目前有機太陽能電池光電轉換效率很低只有將光電轉換效率提高到5%以上才可能大規模應用
那么你準備好將太陽能帶入你的家庭了嗎?
