【科普】薄膜太阳能电池你真的懂？

太阳能电池板是持续获得太阳能的工具。我们常常可以看到屋顶上矩形的太阳能板，田野和草原上呈队列排列的太阳能板。但是我们原本熟知的那种太阳能电池板（长1.7米，宽0.8米，高5厘米）可能要成为历史了。因为一种新的技术已经可以很好地替代传统的硅太阳能板，能够高效、廉价地将太阳能转变为电能。这项新技术就是薄膜光电转换电池，到2010年，它们在全球产生的电能已经达到3700兆瓦。

2010年之后，薄膜太阳能电池广泛进入商业大楼和家居房屋中，产电量得到进一步提高，从加州到肯尼亚再到中国，都是如此。除了灵活性之外，下文将继续讨论薄膜太阳能电池与传统太阳能电池相比的优缺点，它们更加高效的原因，以及薄膜太阳能电池是否能够成为煤和核能的替代品等问题。

什么是薄膜太阳能电池

如果你使用过太阳能计算器，你就知道太阳能电池是基于薄膜技术的。显然，计算器中的太阳能电池不大也不笨重，大多数只有2.5厘米长，0.6厘米宽，厚度很薄。薄膜太阳能电池这个名字就是根据其厚度特征定义出来的。硅晶太阳能电池有350微米左右厚的吸光层，但是薄膜太阳能电池的吸光层只有1微米厚。1微米也就是1米的百万分之一。

薄膜太阳能电池的生产者们开始减少吸光材料的层数，比如基体上的半导体、涂层玻璃等。用作半导体的材料不需要很厚，因为它们吸收太阳能非常高效。所以，薄膜太阳能电池轻质、耐用、简单。

根据所用半导体的类型，薄膜太阳能电池主要有以下三类：非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。非晶硅是传统硅晶太阳能电池的改进版，那么非晶硅的概念就很好理解了，它们被广泛应用于太阳能电子器件中，但是非晶硅也存在着一些缺点和不足。

非晶硅太阳能电池最大的问题之一就是其半导体所用的材料，硅在市场上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不够高。因此，这种电池正经历着显著的没落。更薄的非晶硅电池克服了这一缺点，但是厚度减小后的电池吸收光能的效率更低了。综上所述，硅的特性使得非晶硅电池适用于小尺寸器件，比如说计算器，但不适用于大尺寸器件，比如靠太阳能供电的建筑物。

无硅薄膜光电技术的良好发展开始克服非晶硅存在的问题。接下来，我们将探讨碲化镉电池和铜铟镓硒电池。

　　基于玻璃的铜铟镓硒太阳能电池

　　基于箔条的铜铟镓硒太阳能电池

薄膜太阳能电池的结构

因为太阳能电池的功能和结构是密切相关的，所以我们还是有必要回顾一下它的工作原理。薄膜太阳能电池背后的基础科学知识与传统的硅晶电池还是相同的。

光电转换电池需要依赖于半导体。半导体以纯物质存在时是绝缘体，但是被加热或和其他材料结合时便能够导电。当半导体材料被混合或掺杂磷后，就有了额外的自由电子，这就是我们所熟知的N型半导体。当半导体以其他材料掺杂（如硼），就有了额外的空位能够接收电子，这就是P型半导体。

薄膜太阳能电池通过一层膜将N型半导体和P型半导体连接起来，这就是连接面。即使在没有光的情况下，少量的电子能够从N型半导体穿过连接面到达P型半导体，产生一个小电压。在有光的条件下，光子能够击出大量的电子，这些电子流过连接面形成电流。此电流能够为用电设备供能，从白炽灯到手机充电器。

传统的太阳能电池在P型半导体和N型半导体中加入硅，而最新一代的薄膜太阳能电池使用碲化镉或铜铟镓硒薄层替代硅。Nanosolar公司已经开发出了一种新工艺将铜铟镓硒材料制成含油墨的纳米粒。一个纳米粒是指至少在一维上的尺寸小于1纳米的粒子。以纳米粒子的形式存在，铜铟镓硒四种元素在均匀分配系统中进行自装配，以确保这四种元素的比例永远是正确的。

下面将对组成两种非硅薄膜太阳能电池的膜层进行说明。值得注意的是，铜铟镓硒太阳能电池有两种基本的外形。玻璃态的电池需要用钼制造正电极，但是在箔条状电池中不需要钼薄层，因为箔条可以作为电极。氧化锌薄膜在铜铟镓硒电池中扮演另一电极的角色。在正负电极之间插入的是半导体材料和硫化镉，这两个薄层扮演了N型半导体和P型半导体的角色，用于传到电极之间产生的电流。

碲化镉电池和铜铟镓硒电池有着相似的结构。它的一个电极由一层渗了铜的碳胶制成，另以电极由氧化锡或锡酸镉制成。所用的半导体是碲化镉，和硫化镉一起扮演了N型半导体和P型半导体的角色。

那么薄膜太阳能电池的效率与传统太阳能电池相比如何呢？从理论上而言，硅晶太阳能电池的最大转换效率是50%，也就是有一半能量能够转换为电能。实际上，硅晶太阳能电池一般只能达到15%到25%的转换效率。薄膜太阳能电池对传统电池很有竞争力，因为碲化镉电池的效率已经超过了15%，而铜铟镓硒电池的转换效率已经达到了20%。

由于在薄膜太阳能电池中使用了镉，所以人们担心这会不会引起健康问题。镉是一种剧毒成分，像汞一样，也可以沿食物链积累，这是任何一项技术想成为绿色革命所不可避免的缺陷。国家可再生能源实验室和一些其他的机构公司正在研制无镉薄膜太阳能电池，这些无镉技术都想要证明它们与含镉电池一样高效。

薄膜太阳能电池的生产

成本问题是太阳能技术广泛使用的最大阻碍。传统的硅晶太阳能电池需要复杂的、耗时的生产过程，这使得每一度电的成本大大提高。非硅薄膜太阳能电池生产方便因此更易冲破成本方面的阻碍。

薄膜太阳能电池目前在生产方面取得的最大突破是在箔条状铜铟镓硒电池方面。纳米太阳能公司用类似于胶印的方法生产他们的太阳能电池，下面就让我们来看看他们是怎么做的吧。首先，大量的铝条在巨大的打印机中缓慢前进，就像打印报纸那样，铝条卷可以达到数米宽和数英里长，这使得产品能够用于不同的用途。其次，一台在露天下运转的打印机将半导体油墨薄层沉积到铝基体上。这是在玻璃态铜铟镓硒电池和碲化镉电池大批量生产中取得的一个巨大进步，原来的生产要求半导体在真空室内沉积，而现在可以在露天下进行，速度更快，成本更低。接着，另一台印刷机沉积硫化镉和氧化锌薄层，其中氧化锌层是无反射的，这就确保了阳光能够到达半导体层。最后，铝箔条被切成一片片的太阳能电池。像传统硅太阳能电池一样进行分类装配，在纳米太阳能公司的生产过程中也是有可能采用的，这意味着电池的电学特性能够满足，并可以达到最高的面板效率分布和产额。而玻璃态铜铟镓硒电池不提供自装配分类单元，因为组成电池的面板并不能很好的符合电学特性，其能量产额与效率也大打折扣。

用于半导体打印的打印机是易于使用和维护的。不仅如此，而且原料浪费得也非常少，这有助于提高整个生产过程的效率和降低太阳能板产电的成本。用传统的太阳能板生产一瓦特电需要三美元，传统观念认为，在将成本降低到1美元没瓦特之前太阳能技术不会有竞争力。纳米太阳能公司宣称他们的超高效生产方式和革命性的半导体油墨将会使太阳能产电的成本降低到仅仅30美分每瓦特。如果这是真的，那么太阳能就可以与煤炭竞争了。

薄膜太阳能技术并不是科幻小说。纳米太阳能公司的产品已经拥有了广泛的客户群，包括全球各地的合作者和政府部门，薄膜太阳能电池的生产者们也非常忙碌。俄亥俄州的第一家太阳能机构与居威太阳能机构合作在德国的萨克森州建立了40兆瓦的碲化镉薄膜太阳能基地，于2009年竣工。本田公司正在活跃地进行综合铜铟镓硒薄膜太阳能电池的试验。

如果太阳能薄膜电池能够将其潜能完全发挥出来，那么不难想象，在不远的将来，太阳能将会像阳光一样无所不在。在城市建筑中，薄膜太阳能电池将覆盖屋顶和房子的正面，在新建房屋中，它们将作为屋顶纸板被整体安装。此外，它们还能为新一代的太阳能汽车和卡车供能。