大放異彩的太陽(yáng)能電池板新技術(shù)

太陽(yáng)能曾經(jīng)專(zhuān)屬于先進(jìn)的航天器和某些新奇的小玩意兒，但如今早已不是這樣了。在過(guò)去十年中，太陽(yáng)能已經(jīng)從一種小眾能源轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚰茉锤窬值囊淮笾е?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202407/461185.htm

地球持續(xù)受到的太陽(yáng)輻射約有173,000TW，超過(guò)全球平均電力需求的十倍。[1]這意味著太陽(yáng)能有能力滿(mǎn)足我們所有的能源需求。

2023年上半年，太陽(yáng)能發(fā)電量占美國(guó)總發(fā)電總量的比例從2022年的4.95%上升至5.77%。[2]雖然化石燃料（主要是天然氣和煤炭）在2022年美國(guó)發(fā)電量中的占比高達(dá)60.4%，[3]但太陽(yáng)能日益增強(qiáng)的影響力以及太陽(yáng)能技術(shù)的快速發(fā)展值得關(guān)注。

太陽(yáng)能電池的類(lèi)型

目前，市場(chǎng)上存在晶體、薄膜和新興技術(shù)三大類(lèi)太陽(yáng)能電池［也稱(chēng)為光伏（PV）電池］。這三類(lèi)電池在效率、成本、壽命方面有著各自的優(yōu)勢(shì)。

01 晶體

大多數(shù)家用屋頂太陽(yáng)能電池板都是由高純度單晶硅制成的。該類(lèi)電池近年來(lái)已實(shí)現(xiàn)超過(guò)26%的效率和30多年的使用壽命。[4]目前家用太陽(yáng)能電池板的效率約為22%。

多晶硅的成本低于單晶硅，但效率較低，并且壽命較短。效率較低意味著需要更多的電池板和更大的面積。

與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，基于多結(jié)砷化鎵（GaAs）技術(shù)的太陽(yáng)能電池效率更高。這些電池具有多層結(jié)構(gòu)，并且每一層都采用不同的材料，如磷化銦鎵（GaInP）、砷化銦鎵（InGaAs）和鍺（Ge），用來(lái)吸收不同波長(zhǎng)的陽(yáng)光。雖然這些多結(jié)電池有望實(shí)現(xiàn)很高的效率，但它們?nèi)匀淮嬖谥圃斐杀靖吆脱邪l(fā)尚不成熟等問(wèn)題，這限制了它們的商業(yè)可行性和實(shí)際應(yīng)用。

02 薄膜

全球市場(chǎng)上薄膜光伏產(chǎn)品的主流是碲化鎘（CdTe）光伏組件，此類(lèi)組件在全球各地已安裝了數(shù)百萬(wàn)套，峰值發(fā)電能力超過(guò)30GW，在美國(guó)范圍內(nèi)主要用于公用事業(yè)規(guī)模的發(fā)電廠。

在這種薄膜技術(shù)中，1平方米太陽(yáng)能模塊的鎘含量比AAA大小的鎳鎘（Ni-Cd）電池還要低。此外，太陽(yáng)能模塊中的鎘與碲結(jié)合在一起，而碲不溶于水，在1200°C的高溫下也能保持穩(wěn)定。這些因素減輕了薄膜電池中使用碲化鎘的毒性危害。

碲在地殼中的含量?jī)H有百萬(wàn)分之0.001。就像鉑是稀有元素一樣，碲的稀有性也會(huì)顯著影響碲化鎘模塊的成本。不過(guò)，通過(guò)回收利用的做法，這個(gè)問(wèn)題是有可能緩解的。

碲化鎘模塊的效率可達(dá)18.6%，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的電池效率能夠超過(guò)22%。[5]用砷摻雜取代已經(jīng)用了很久的銅摻雜，可以大大提高模塊壽命，達(dá)到與晶體電池媲美的程度。

03 新興技術(shù)

使用超薄薄膜（小于1微米）和直接沉積技術(shù)的新興光伏技術(shù)將降低生產(chǎn)成本，并為太陽(yáng)能電池提供高質(zhì)量的半導(dǎo)體。這些技術(shù)有望成為硅、碲化鎘和砷化鎵等成熟材料的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。[6]

該領(lǐng)域有三種著名的薄膜技術(shù)：銅鋅錫硫化物（Cu2ZnSnS4或CZTS）、磷化鋅（Zn3P2）和單壁碳納米管（SWCNT）。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，銅銦鎵硒（CIGS）太陽(yáng)能電池的效率峰值已達(dá)到令人印象深刻的22.4%。然而，要想在商業(yè)規(guī)模上復(fù)現(xiàn)這樣的效率水平仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。[7]

鹵化鉛鈣鈦礦薄膜電池是一項(xiàng)引人矚目的新興太陽(yáng)能技術(shù)。鈣鈦礦是一類(lèi)晶體結(jié)構(gòu)典型化學(xué)式為ABX3的物質(zhì)。它是一種黃色、棕色或黑色的礦物，主要成分為鈦酸鈣（CaTiO3）。英國(guó)Oxford PV公司生產(chǎn)的商用規(guī)模硅基鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的28.6%效率，并將于今年投入生產(chǎn)。[8]

在短短幾年內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有碲化鎘薄膜電池相近的效率。在早期的鈣鈦礦電池研發(fā)中，壽命是一個(gè)大問(wèn)題，短到只能以月來(lái)計(jì)算。

現(xiàn)在，鈣鈦礦電池已能實(shí)現(xiàn)25年或更長(zhǎng)的使用壽命。目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)換效率高（超過(guò)25%），并且生產(chǎn)成本和生產(chǎn)過(guò)程所需的溫度都較低。

表1：主要電池類(lèi)別在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測(cè)試中的轉(zhuǎn)換效率

建筑集成式太陽(yáng)能電池板

某些太陽(yáng)能電池在設(shè)計(jì)上只捕獲太陽(yáng)光譜的一部分，同時(shí)允許可見(jiàn)光通過(guò)。這些透明電池稱(chēng)為染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC），于1991年誕生在瑞士。近年來(lái)的研發(fā)新成果提高了DSC的效率，也許用不了多久，這些太陽(yáng)能電池板就會(huì)投放市場(chǎng)。

有些公司在玻璃的聚碳酸酯夾層中注入無(wú)機(jī)納米顆粒。該技術(shù)中的納米顆粒能將光譜的特定部分轉(zhuǎn)移到玻璃邊緣，使大部分光譜得以通過(guò)。聚集在玻璃邊緣的光隨后被太陽(yáng)能電池利用。此外，現(xiàn)階段正在研究將鈣鈦礦薄膜材料應(yīng)用于透明太陽(yáng)能窗和建筑外墻的技術(shù)。

太陽(yáng)能所需的原材料

為了提高太陽(yáng)能發(fā)電量，對(duì)硅、銀、銅和鋁等重要原材料的開(kāi)采需求將會(huì)增加。美國(guó)能源部指出，全球約有12%的冶金級(jí)硅（MGS）被加工成用于太陽(yáng)能電池板的多晶硅。[10]

中國(guó)是這一領(lǐng)域的主要參與者，2020年全球約70%的MGS和77%的多晶硅供應(yīng)量都是中國(guó)生產(chǎn)的。[11]將硅轉(zhuǎn)化為多晶硅的過(guò)程需要非常高的溫度。在中國(guó)，這些過(guò)程的能源主要來(lái)自于煤炭。新疆具有豐富的煤炭資源和低廉的電費(fèi)，其多晶硅產(chǎn)量占到了全球產(chǎn)量的45%。[12]

太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)消耗了全球約10%的銀。銀礦開(kāi)采主要在墨西哥、中國(guó)、秘魯、智利、澳大利亞、俄羅斯和波蘭進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致重金屬污染和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)被迫遷移等問(wèn)題。

銅和鋁的開(kāi)采也給土地使用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局指出，智利的銅產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的27%，其次是秘魯（10%）、中國(guó)（8%）和剛果民主共和國(guó)（8%）。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）認(rèn)為，如果到2050年全球可再生能源的使用率達(dá)到100%，那么太陽(yáng)能項(xiàng)目對(duì)銅的需求將增加近兩倍。[13]

結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是不是終有一天會(huì)成為我們的主要能源？太陽(yáng)能的價(jià)格在下降，效率在提高。與此同時(shí)，有許多不同的太陽(yáng)能技術(shù)路線(xiàn)可供選擇。我們什么時(shí)候才能確定一兩項(xiàng)技術(shù)，并使其真正發(fā)揮作用？如何將太陽(yáng)能并入電網(wǎng)？

太陽(yáng)能從專(zhuān)業(yè)能源發(fā)展成為主流能源的過(guò)程，凸顯了它有望滿(mǎn)足甚至超越我們的能源需求。雖然晶體太陽(yáng)能電池目前在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，但薄膜技術(shù)和新興技術(shù)（如碲化鎘和鈣鈦礦）的進(jìn)步，為更高效、集成度更高的太陽(yáng)能應(yīng)用鋪平了道路。太陽(yáng)能依然面對(duì)諸多挑戰(zhàn)，如原材料開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響，以及生產(chǎn)上存在的瓶頸問(wèn)題，但這終究是一個(gè)快速增長(zhǎng)和創(chuàng)新、令人充滿(mǎn)希望的行業(yè)。

在技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐的適當(dāng)平衡下，太陽(yáng)能的成長(zhǎng)和發(fā)展將為未來(lái)更清潔、更豐富的能源前景鋪平道路。正因如此，它才會(huì)在美國(guó)能源結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并有望成為全球性的可持續(xù)解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] “Energy on a Sphere.” US National Oceanic and Atmospheric Administration, Science on a Sphere. Accessed January 16, 2024.
https://sos.noaa.gov/catalog/live-programs/energy-on-a-sphere/

[2] Michelle Lewis, “In a New Milestone, Renewables Generated 25% of US Power in the First Half of 2023,” Electrek, August 25, 2023,
https://electrek.co/2023/08/25/renewables-25-percent-us-power-first-half-2023/

[3] “What Is U.S. Electricity Generation by Energy Source?” Frequently Asked Questions (FAQs) - U.S. Energy Information Administration (EIA). Accessed December 20, 2023. 
https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=427&t=3

[4] JinkoSolar, “JinkoSolar’s High-Efficiency N-Type Monocrystalline Silicon Solar Cell Sets New Record with Maximum Conversion Efficiency of 26.89%,” news release, October 30, 2023,
https://ir.jinkosolar.com/news-releases/news-release-details/jinkosolars-high-efficiency-n-type-monocrystalline-silicon-3

[5] Michael A. Scarpulla, Brian McCandless, Adam B. Phillips, Yanfa Yan, Michael J. Heben, Colin Wolden, et al. "CdTe-Based Thin Film Photovoltaics: Recent Advances, Current Challenges and Future Prospects," Solar Energy Materials and Solar Cells 255, (June 2023),
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112289

[6] Juan-Pablo Correa-Baena et al., "Promises and Challenges of Perovskite Solar Cells," Science 358, Issue 6364 (November): 739-744,
https://doi.org/10.1126/science.aam6323

[7] Grant Morris, “Thin-Film Solar Panels: What You Need to Know,” EnergySage, accessed January 17, 2024,
https://www.energysage.com/solar/types-of-thin-film-solar-panels/

[8] Oxford PV, “Oxford PV Sets New Solar Cell World Record,” news release, May 24, 2023.
https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-cell-world-record

[9] “Next-Generation Solar Cell Market Size, Share, Industry Report, Revenue Trends and Growth Drivers, 2030,” MarketsandMarkets, June 2023,
https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/next-generation-solar-cell-market-94742566.html

[10] US Department of Energy, Solar Photovoltaics: Supply Chain Deep Dive Assessment, February 24, 2022,
https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-02/Solar%20Energy%20Supply%20Chain%20Report%20-%20Final.pdf

[11] Ulrik Fugmann, Edward Lees, “What You Need to Know about Polysilicon and Its Role in Solar Modules,” ViewPoint, October 27, 2023,
https://www.bnpparibas-am.com/viewpoint/what-you-need-to-know-about-polysilicon-and-its-role-in-solar-modules/

[12] Dan Murtaugh, “Why It’s so Hard for the Solar Industry to Quit Xinjiang,” Bloomberg.com, February 10, 2021,
https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-02-10/why-it-s-so-hard-for-the-solar-industry-to-quit-xinjiang

[13] IEA, The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, 2021,
https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions

來(lái)源：貿(mào)澤電子