大放異彩的太陽能電池板新技術

太陽能曾經專屬于先進的航天器和某些新奇的小玩意兒，但如今早已不是這樣了。在過去十年中，太陽能已經從一種小眾能源轉變為全球能源格局的一大支柱。

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

2023年上半年，太陽能發電量占美國總發電總量的比例從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年美國發電量中的占比高達60.4%，[3]但太陽能日益增強的影響力以及太陽能技術的快速發展值得關注。

太陽能電池的類型

目前，市場上存在晶體、薄膜和新興技術三大類太陽能電池［也稱為光伏（PV）電池］。這三類電池在效率、成本、壽命方面有著各自的優勢。

01 晶體

大多數家用屋頂太陽能電池板都是由高純度單晶硅制成的。該類電池近年來已實現超過26%的效率和30多年的使用壽命。[4]目前家用太陽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。

與傳統太陽能電池相比，基于多結砷化鎵（GaAs）技術的太陽能電池效率更高。這些電池具有多層結構，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），用來吸收不同波長的陽光。雖然這些多結電池有望實現很高的效率，但它們仍然存在制造成本高和研發尚不成熟等問題，這限制了它們的商業可行性和實際應用。

02 薄膜

全球市場上薄膜光伏產品的主流是碲化鎘（CdTe）光伏組件，此類組件在全球各地已安裝了數百萬套，峰值發電能力超過30GW，在美國范圍內主要用于公用事業規模的發電廠。

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

碲在地殼中的含量僅有百萬分之0.001。就像鉑是稀有元素一樣，碲的稀有性也會顯著影響碲化鎘模塊的成本。不過，通過回收利用的做法，這個問題是有可能緩解的。

碲化鎘模塊的效率可達18.6%，實驗室環境中的電池效率能夠超過22%。[5]用砷摻雜取代已經用了很久的銅摻雜，可以大大提高模塊壽命，達到與晶體電池媲美的程度。

03 新興技術

使用超薄薄膜（小于1微米）和直接沉積技術的新興光伏技術將降低生產成本，并為太陽能電池提供高質量的半導體。這些技術有望成為硅、碲化鎘和砷化鎵等成熟材料的競爭對手。[6]

該領域有三種著名的薄膜技術：銅鋅錫硫化物（Cu2ZnSnS4或CZTS）、磷化鋅（Zn3P2）和單壁碳納米管（SWCNT）。在實驗室環境中，銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池的效率峰值已達到令人印象深刻的22.4%。然而，要想在商業規模上復現這樣的效率水平仍然是一項挑戰。[7]

鹵化鉛鈣鈦礦薄膜電池是一項引人矚目的新興太陽能技術。鈣鈦礦是一類晶體結構典型化學式為ABX3的物質。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Oxford PV公司生產的商用規模硅基鈣鈦礦疊層太陽能電池實現了創紀錄的28.6%效率，并將于今年投入生產。[8]

在短短幾年內，鈣鈦礦太陽能電池就實現了與現有碲化鎘薄膜電池相近的效率。在早期的鈣鈦礦電池研發中，壽命是一個大問題，短到只能以月來計算。

現在，鈣鈦礦電池已能實現25年或更長的使用壽命。目前，鈣鈦礦太陽能電池的優勢在于轉換效率高（超過25%），并且生產成本和生產過程所需的溫度都較低。

表1：主要電池類別在實驗室研發測試中的轉換效率

建筑集成式太陽能電池板

某些太陽能電池在設計上只捕獲太陽光譜的一部分，同時允許可見光通過。這些透明電池稱為染料敏化太陽能電池（DSC），于1991年誕生在瑞士。近年來的研發新成果提高了DSC的效率，也許用不了多久，這些太陽能電池板就會投放市場。

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

太陽能所需的原材料

為了提高太陽能發電量，對硅、銀、銅和鋁等重要原材料的開采需求將會增加。美國能源部指出，全球約有12%的冶金級硅（MGS）被加工成用于太陽能電池板的多晶硅。[10]

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

太陽能電池板的生產消耗了全球約10%的銀。銀礦開采主要在墨西哥、中國、秘魯、智利、澳大利亞、俄羅斯和波蘭進行，可能會導致重金屬污染和當地社區被迫遷移等問題。

銅和鋁的開采也給土地使用帶來了挑戰。美國地質調查局指出，智利的銅產量占全球產量的27%，其次是秘魯（10%）、中國（8%）和剛果民主共和國（8%）。國際能源機構（IEA）認為，如果到2050年全球可再生能源的使用率達到100%，那么太陽能項目對銅的需求將增加近兩倍。[13]

結語

太陽能是不是終有一天會成為我們的主要能源？太陽能的價格在下降，效率在提高。與此同時，有許多不同的太陽能技術路線可供選擇。我們什么時候才能確定一兩項技術，并使其真正發揮作用？如何將太陽能并入電網？

太陽能從專業能源發展成為主流能源的過程，凸顯了它有望滿足甚至超越我們的能源需求。雖然晶體太陽能電池目前在市場上占據主導地位，但薄膜技術和新興技術（如碲化鎘和鈣鈦礦）的進步，為更高效、集成度更高的太陽能應用鋪平了道路。太陽能依然面對諸多挑戰，如原材料開采對環境的影響，以及生產上存在的瓶頸問題，但這終究是一個快速增長和創新、令人充滿希望的行業。

在技術進步和可持續發展實踐的適當平衡下，太陽能的成長和發展將為未來更清潔、更豐富的能源前景鋪平道路。正因如此，它才會在美國能源結構中呈現出顯著增長態勢，并有望成為全球性的可持續解決方案。

參考文獻

[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

來源：貿澤電子