太陽能電池板是持續(xù)獲得太陽能的工具。我們常?？梢钥吹轿蓓斏暇匦蔚奶柲馨?，田野和草原上呈隊列排列的太陽能板。但是我們原本熟知的那種太陽能電池板(長1.7米，寬0.8米，高5厘米)可能要成為歷史了。因為一種新的技術(shù)已經(jīng)可以很好地替代傳統(tǒng)的硅太陽能板，能夠高效、廉價地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這項新技術(shù)就是薄膜光電轉(zhuǎn)換電池，到2010年，它們在全球產(chǎn)生的電能已經(jīng)達到3700兆瓦。

2010年之后，薄膜太陽能電池廣泛進入商業(yè)大樓和家居房屋中，產(chǎn)電量得到進一步提高，從加州到肯尼亞再到中國，都是如此。除了靈活性之外，下文將繼續(xù)討論薄膜太陽能電池與傳統(tǒng)太陽能電池相比的優(yōu)缺點，它們更加高效的原因，以及薄膜太陽能電池是否能夠成為煤和核能的替代品等問題。

什么是薄膜太陽能電池

如果你使用過太陽能計算器，你就知道太陽能電池是基于薄膜技術(shù)的。顯然，計算器中的太陽能電池不大也不笨重，大多數(shù)只有2.5厘米長，0.6厘米寬，厚度很薄。薄膜太陽能電池這個名字就是根據(jù)其厚度特征定義出來的。硅晶太陽能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽能電池的吸光層只有1微米厚。1微米也就是1米的百萬分之一。

薄膜太陽能電池的生產(chǎn)者們開始減少吸光材料的層數(shù)，比如基體上的半導(dǎo)體、涂層玻璃等。用作半導(dǎo)體的材料不需要很厚，因為它們吸收太陽能非常高效。所以，薄膜太陽能電池輕質(zhì)、耐用、簡單。

根據(jù)所用半導(dǎo)體的類型，薄膜太陽能電池主要有以下三類：非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒。非晶硅是傳統(tǒng)硅晶太陽能電池的改進版，那么非晶硅的概念就很好理解了，它們被廣泛應(yīng)用于太陽能電子器件中，但是非晶硅也存在著一些缺點和不足。

非晶硅太陽能電池最大的問題之一就是其半導(dǎo)體所用的材料，硅在市場上并不容易找到，往往是供小于求;而非晶硅的效率又不夠高。因此，這種電池正經(jīng)歷著顯著的沒落。更薄的非晶硅電池克服了這一缺點，但是厚度減小后的電池吸收光能的效率更低了。綜上所述，硅的特性使得非晶硅電池適用于小尺寸器件，比如說計算器，但不適用于大尺寸器件，比如靠太陽能供電的建筑物。

無硅薄膜光電技術(shù)的良好發(fā)展開始克服非晶硅存在的問題。接下來，我們將探討碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。

基于玻璃的銅銦鎵硒太陽能電池

基于箔條的銅銦鎵硒太陽能電池

薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)

因為太陽能電池的功能和結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，所以我們還是有必要回顧一下它的工作原理。薄膜太陽能電池背后的基礎(chǔ)科學(xué)知識與傳統(tǒng)的硅晶電池還是相同的。

光電轉(zhuǎn)換電池需要依賴于半導(dǎo)體。半導(dǎo)體以純物質(zhì)存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結(jié)合時便能夠?qū)щ?。?dāng)半導(dǎo)體材料被混合或摻雜磷后，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體以其他材料摻雜(如硼)，就有了額外的空位能夠接收電子，這就是P型半導(dǎo)體。

薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接起來，這就是連接面。即使在沒有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導(dǎo)體穿過連接面到達P型半導(dǎo)體，產(chǎn)生一個小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過連接面形成電流。此電流能夠為用電設(shè)備供能，從白熾燈到手機充電器。

傳統(tǒng)的太陽能電池在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中加入硅，而最新一代的薄膜太陽能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代硅。Nanosolar公司已經(jīng)開發(fā)出了一種新工藝將銅銦鎵硒材料制成含油墨的納米粒。一個納米粒是指至少在一維上的尺寸小于1納米的粒子。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統(tǒng)中進行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠是正確的。

下面將對組成兩種非硅薄膜太陽能電池的膜層進行說明。值得注意的是，銅銦鎵硒太陽能電池有兩種基本的外形。玻璃態(tài)的電池需要用鉬制造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因為箔條可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負(fù)電極之間插入的是半導(dǎo)體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的角色，用于傳到電極之間產(chǎn)生的電流。

碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結(jié)構(gòu)。它的一個電極由一層滲了銅的碳膠制成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘制成。所用的半導(dǎo)體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的角色。

那么薄膜太陽能電池的效率與傳統(tǒng)太陽能電池相比如何呢?從理論上而言，硅晶太陽能電池的最大轉(zhuǎn)換效率是50%，也就是有一半能量能夠轉(zhuǎn)換為電能。實際上，硅晶太陽能電池一般只能達到15%到25%的轉(zhuǎn)換效率。薄膜太陽能電池對傳統(tǒng)電池很有競爭力，因為碲化鎘電池的效率已經(jīng)超過了15%，而銅銦鎵硒電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了20%。

由于在薄膜太陽能電池中使用了鎘，所以人們擔(dān)心這會不會引起健康問題。鎘是一種劇毒成分，像汞一樣，也可以沿食物鏈積累，這是任何一項技術(shù)想成為綠色革命所不可避免的缺陷。國家可再生能源實驗室和一些其他的機構(gòu)公司正在研制無鎘薄膜太陽能電池，這些無鎘技術(shù)都想要證明它們與含鎘電池一樣高效。

薄膜太陽能電池的生產(chǎn)

成本問題是太陽能技術(shù)廣泛使用的最大阻礙。傳統(tǒng)的硅晶太陽能電池需要復(fù)雜的、耗時的生產(chǎn)過程，這使得每一度電的成本大大提高。非硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)方便因此更易沖破成本方面的阻礙。

薄膜太陽能電池目前在生產(chǎn)方面取得的最大突破是在箔條狀銅銦鎵硒電池方面。納米太陽能公司用類似于膠印的方法生產(chǎn)他們的太陽能電池，下面就讓我們來看看他們是怎么做的吧。首先，大量的鋁條在巨大的打印機中緩慢前進，就像打印報紙那樣，鋁條卷可以達到數(shù)米寬和數(shù)英里長，這使得產(chǎn)品能夠用于不同的用途。其次，一臺在露天下運轉(zhuǎn)的打印機將半導(dǎo)體油墨薄層沉積到鋁基體上。這是在玻璃態(tài)銅銦鎵硒電池和碲化鎘電池大批量生產(chǎn)中取得的一個巨大進步，原來的生產(chǎn)要求半導(dǎo)體在真空室內(nèi)沉積，而現(xiàn)在可以在露天下進行，速度更快，成本更低。接著，另一臺印刷機沉積硫化鎘和氧化鋅薄層，其中氧化鋅層是無反射的，這就確保了陽光能夠到達半導(dǎo)體層。最后，鋁箔條被切成一片片的太陽能電池。像傳統(tǒng)硅太陽能電池一樣進行分類裝配，在納米太陽能公司的生產(chǎn)過程中也是有可能采用的，這意味著電池的電學(xué)特性能夠滿足，并可以達到最高的面板效率分布和產(chǎn)額。而玻璃態(tài)銅銦鎵硒電池不提供自裝配分類單元，因為組成電池的面板并不能很好的符合電學(xué)特性，其能量產(chǎn)額與效率也大打折扣。

用于半導(dǎo)體打印的打印機是易于使用和維護的。不僅如此，而且原料浪費得也非常少，這有助于提高整個生產(chǎn)過程的效率和降低太陽能板產(chǎn)電的成本。用傳統(tǒng)的太陽能板生產(chǎn)一瓦特電需要三美元，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，在將成本降低到1美元沒瓦特之前太陽能技術(shù)不會有競爭力。納米太陽能公司宣稱他們的超高效生產(chǎn)方式和革命性的半導(dǎo)體油墨將會使太陽能產(chǎn)電的成本降低到僅僅30美分每瓦特。如果這是真的，那么太陽能就可以與煤炭競爭了。

薄膜太陽能技術(shù)并不是科幻小說。納米太陽能公司的產(chǎn)品已經(jīng)擁有了廣泛的客戶群，包括全球各地的合作者和政府部門，薄膜太陽能電池的生產(chǎn)者們也非常忙碌。俄亥俄州的第一家太陽能機構(gòu)與居威太陽能機構(gòu)合作在德國的薩克森州建立了40兆瓦的碲化鎘薄膜太陽能基地，于2009年竣工。本田公司正在活躍地進行綜合銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的試驗。

如果太陽能薄膜電池能夠?qū)⑵錆撃芡耆l(fā)揮出來，那么不難想象，在不遠的將來，太陽能將會像陽光一樣無所不在。在城市建筑中，薄膜太陽能電池將覆蓋屋頂和房子的正面，在新建房屋中，它們將作為屋頂紙板被整體安裝。此外，它們還能為新一代的太陽能汽車和卡車供能。