在當今追求可持續(xù)能源的時代，太陽能作為一種清潔、可再生的能源，受到了廣泛的關(guān)注。太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)的發(fā)展對于太陽能的有效利用至關(guān)重要。本文將詳細介紹薄膜太陽能電池的相關(guān)知識，包括其定義、興起過程、特性以及實際應(yīng)用等。
太陽能電池板是獲取太陽能的重要工具，我們常見的屋頂矩形太陽能板、田野和草原上成隊列排列的太陽能板，大多是傳統(tǒng)的硅太陽能板。然而，傳統(tǒng)的硅太陽能板（長 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、廉價地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?2010 年，薄膜太陽能電池在產(chǎn)生的電能已達到 3700 兆瓦。2010 年之后，薄膜太陽能電池廣泛進入商業(yè)大樓和家居房屋，產(chǎn)電量進一步提高，從加州到肯尼亞再到中國，都能看到其應(yīng)用的身影。除了靈活性之外，薄膜太陽能電池與傳統(tǒng)太陽能電池相比，還具有諸多優(yōu)缺點，其高效的原因以及是否能成為煤和核能的替代品等問題，也值得我們深入探討。
如果你使用過太陽能計算器，就會對基于薄膜技術(shù)的太陽能電池有所了解。計算器中的太陽能電池體積小巧、厚度很薄，大多數(shù)只有 2.5 厘米長，0.6 厘米寬。薄膜太陽能電池正是因其厚度特征而得名。硅晶太陽能電池的吸光層約有 350 微米厚，而薄膜太陽能電池的吸光層僅 1 微米厚，1 微米是 1 米的百萬分之一。
薄膜太陽能電池的生產(chǎn)者通過減少吸光材料的層數(shù)，如基體上的半導體、涂層玻璃等，使得電池更加輕質(zhì)、耐用和簡單。根據(jù)所用半導體的類型，薄膜太陽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)硅晶太陽能電池的改進版，廣泛應(yīng)用于太陽能電子器件中，但也存在一些缺點。非晶硅太陽能電池的半導體材料硅在市場上供應(yīng)不足，且其效率不夠高，導致這種電池逐漸沒落。雖然更薄的非晶硅電池在一定程度上克服了這些問題，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，如計算器，而不適用于大尺寸器件，如太陽能供電的建筑物。
目前，在太陽能電池行業(yè)中，硅晶占據(jù)主導地位，硅晶由精煉硅制成，這一技術(shù)作為太陽能的基本技術(shù)已經(jīng)存在了 50 多年。自 1954 年塊硅太陽能電池發(fā)明以來，其數(shù)量迅速增加，目前 12% - 18% 的太陽輻射通過硅晶太陽能電池轉(zhuǎn)化為電能。然而，近年來薄膜光電池技術(shù)取得了很多突破。2005 年，晶體硅在太陽能光電池市場的份額超過 95%，但從那時起，薄膜光電池材料的市場份額逐年穩(wěn)步上升，如今已占到 25%。數(shù)以百計的從事薄膜光電池技術(shù)的公司已進入研發(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 90 年代開始商業(yè)化，目前其能量轉(zhuǎn)換效率已達到 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，重要的是其生產(chǎn)成本低。許多薄膜太陽能電池板由非晶硅制成，而制備硅晶太陽能電池板需要使用高等硅。此外，薄膜太陽能電池還可以由其他半導體材料制成，如銅銦鎵硒（CIGS）材料和碲化鎘材料。
在可再生能源領(lǐng)域，一個關(guān)鍵問題是規(guī)模化的太陽能光電池技術(shù)何時能在價格上與化石燃料發(fā)電競爭或等價。事實上，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能公司是薄膜太陽能電池領(lǐng)域的佼佼者。2009 年，該公司通過碲化鎘電池生產(chǎn)了 1 千兆瓦的電能，相當于 25 萬個大型家庭薄膜太陽能光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的生產(chǎn)總量。2009 年，太陽能公司實現(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題，通過設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)避免鎘隨廢棄物排放。
在過去幾年中，太陽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能產(chǎn)品的一半。其降低成本的措施包括縮短生產(chǎn)時間和規(guī)?；O(shè)備的安裝時間。與同行業(yè)其他公司相比，太陽能公司的規(guī)?；O(shè)備安裝費用降低了 10% - 15%，產(chǎn)量比生產(chǎn)硅晶的公司高出 10% 左右（在相同設(shè)計效率下）。未來五年，該公司將致力于將生產(chǎn)效率提高 15%，并進一步降低生產(chǎn)成本。如果能實現(xiàn)這些目標，規(guī)模化的薄膜太陽能裝置發(fā)電將與化石燃料發(fā)電一樣廉價。
未來，使用更多成規(guī)模的薄膜太陽能電池板是正確的選擇，這意味著更多消費者能夠購買到清潔能源。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)，同時儲存多余電能的基礎(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安裝太陽能板。美國目前的一些政策已經(jīng)支持這一做法。
由于薄膜太陽能板很輕便，將其融入建筑物中是可行的，如用于制造屋頂。建筑物集成太陽能光電板是一個新的創(chuàng)意，建筑師在上世紀 80 年代就開始用太陽能光電材料制造屋頂，但目前用于制造屋頂?shù)牟ＡР牧蟽r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能材料凸顯了使用薄膜太陽能材料制造屋頂?shù)膬?yōu)勢。2001 年，太陽能集成技術(shù)公司開發(fā)了一種將層疊狀太陽能材料改為膜狀材料并用于商業(yè)建筑的新工藝。到 2009 年，多家大公司開始進軍這一領(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)展廉價的太陽能鐵路側(cè)線也具有很大潛力。每一項新技術(shù)的出現(xiàn)都會帶來很多實際應(yīng)用，未來人們可能會疑惑為什么現(xiàn)在還通過燃燒化石燃料發(fā)電，而我們現(xiàn)在就可以通過薄膜光電材料將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。
