太陽(yáng)能電池玩出新花樣：顏值身段實(shí)力兼并!

近日，美國(guó)癮科技(Engadget)網(wǎng)站報(bào)道了幾款極具創(chuàng)新性的太陽(yáng)能電池，有的臉蛋像花朵一樣，顏值超高;有的身段像瑜伽運(yùn)動(dòng)員一樣柔軟，更重要的是，它們?nèi)紝?shí)力超強(qiáng)。

全角度捕獲太陽(yáng)光

絕大多數(shù)太陽(yáng)能面板都是平板的樣子，這種太陽(yáng)能面板雖說(shuō)可以采用技術(shù)使其隨著太陽(yáng)一天的移動(dòng)路徑而轉(zhuǎn)動(dòng)角度，但這一設(shè)計(jì)仍然具有很大的局限性，尤其是效率不足。

去年，V3太陽(yáng)能(V3 Solar)公司研制的自旋電池(Spin Cell)首次發(fā)布，它將太陽(yáng)能電池板放在一個(gè)獨(dú)特的錐形支架上，使其能全角度吸收太陽(yáng)能。該公司表示，根據(jù)第三方機(jī)構(gòu)驗(yàn)證，目前研發(fā)出的型號(hào)產(chǎn)生的電力為靜態(tài)平板太陽(yáng)能面板產(chǎn)生電力的20多倍，而且非常耐用，因?yàn)樽孕袨槟芊乐棺孕姵剡^(guò)熱——這是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池面臨的一個(gè)大問題。此外，和傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板相比，V3占據(jù)的空間非常小。

無(wú)獨(dú)有偶。2012年，日本Kyosemi公司研制出Sphelar球形太陽(yáng)能電池，也沒有采用傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)，而是采用了更加高效的球狀設(shè)計(jì)，看起來(lái)就像迪斯科球。球狀設(shè)計(jì)擁有諸多好處：不需要移動(dòng)，可以充分吸收和利用太陽(yáng)光線，最大限度地暴露在陽(yáng)光之下，因此，不需要復(fù)雜的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng);此外，由于這種電池不是平面設(shè)計(jì)，對(duì)表面積的要求相對(duì)少一些，人們可以在更小的空間里放置更多太陽(yáng)能電池。

顏值高、身段軟、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

近期，柔性材料在科技界大放光芒，除了屏幕，它還成了太陽(yáng)能電池板的組成部分。位于美國(guó)洛杉磯的初創(chuàng)公司Sunflare的CIGS(銅銦鎵硒)柔性太陽(yáng)能電池，就是其中的典型代表。這種電池身段柔軟，可像墻紙一樣卷起來(lái)并貼附于任何表面。其體形也很纖巧，“體重”比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池輕65%，而效率則比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池高10%。這種電池板將成為農(nóng)村地區(qū)和便攜式項(xiàng)目完美的解決方案。另外，這種太陽(yáng)能電池價(jià)格也比較親民，Sunflare公司估計(jì)，這種卷曲太陽(yáng)能電池的發(fā)電成本僅為1.07美元/瓦。

與此同時(shí)，今年3月份，瑞典Airlight Energy公司和IBM公司也宣布，他們將于2017年開始在偏遠(yuǎn)地區(qū)建造經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的向日葵形太陽(yáng)能建筑。向日葵面板整體呈弧形，6個(gè)太陽(yáng)能電池安裝在面板后面，而正面的鏡面陣列可以把日光強(qiáng)度提高2000倍，能將從陽(yáng)光中所收集的80%多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電量。據(jù)悉，在晴天，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生12千瓦的電力和20千瓦的熱能，足以為偏遠(yuǎn)地區(qū)好幾戶家庭提供正常的電燈、空調(diào)和冰箱等日常電器所需電量。

產(chǎn)生的電量為傳統(tǒng)電池的50多倍

今年10月30日，由特斯拉和Solar City設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品——太陽(yáng)能屋頂亮相洛杉磯環(huán)球影城。特斯拉的集成太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)由獨(dú)特的玻璃磚組成，同時(shí)嵌入高效的光伏電池。特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克在發(fā)布會(huì)上還展示了特斯拉二代家用儲(chǔ)能電池Powerwall 2.0，這款產(chǎn)品售價(jià)5500美元，容量為14千瓦時(shí)。當(dāng)太陽(yáng)能屋頂與Powerwall電池強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，可為整個(gè)家庭提供100%的可再生能源。

而總部位于美國(guó)馬里蘭州的透明太陽(yáng)能電池發(fā)電涂層開發(fā)商太陽(yáng)能窗戶技術(shù)公司則稱，該公司的透明太陽(yáng)能電池技術(shù)產(chǎn)生的能量為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生能量的50多倍，讓最近太陽(yáng)能領(lǐng)域的很多創(chuàng)新自慚形穢。

“太陽(yáng)能窗戶”實(shí)際上是一個(gè)涂層，能被應(yīng)用于現(xiàn)有的玻璃或塑料表面，發(fā)電的同時(shí)也不會(huì)影響風(fēng)景或遮擋太陽(yáng)光。發(fā)明者表示，鑒于新系統(tǒng)擁有極高的能量轉(zhuǎn)化率，因此，將比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板更早收回成本——傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池可能需要11年，而新系統(tǒng)一年內(nèi)就可以收回成本。

未來(lái)的印刷太陽(yáng)能電池

會(huì)像印鈔票一樣嗎?

來(lái)源：Nature自然科研(ID:macmillan-nature)，Rueben Wu

常規(guī)的硅太陽(yáng)能電池占全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量的90%以上，但制造它們所消耗的能量卻相當(dāng)于其生命周期內(nèi)總輸出量的10%左右。

程一兵及同事呼吁加強(qiáng)對(duì)開發(fā)低價(jià)、可量產(chǎn)的薄型光伏設(shè)備的關(guān)注。

太陽(yáng)能的未來(lái)取決于新舊技術(shù)的結(jié)合。如果光伏設(shè)備能像報(bào)紙或鈔票一樣用印刷設(shè)備量產(chǎn)，就能成為低價(jià)而普遍的產(chǎn)品。

常規(guī)的硅基太陽(yáng)能板體積龐大、靈活性差。目前，人們已能制造出小而輕薄的半透明柔性薄膜光伏設(shè)備。它們耗材較少，并且能在微光下乃至室內(nèi)發(fā)電。若把這種電池應(yīng)用在手機(jī)、鐘表、墻壁和窗戶中，將會(huì)變革全球的能源生產(chǎn)格局、減少污染、緩解氣候變化。

不過(guò)，柔性太陽(yáng)能電池板的開發(fā)應(yīng)用也面臨著多重阻礙。一些柔性太陽(yáng)能板使用的是重金屬等有害物質(zhì)，且制造時(shí)要使用有害溶劑;一些則會(huì)快速退化，光電轉(zhuǎn)化效率也不高。出版、計(jì)算和電子行業(yè)所使用的印刷機(jī)很難印刷出面積以平米計(jì)、精度達(dá)納米級(jí)的光伏材料。因此，可印刷的太陽(yáng)能電池尚未在電力市場(chǎng)中找到立足之地。

大部分研發(fā)投資都進(jìn)入了常規(guī)硅太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，它們約占全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量的90%以上，但制造它們所消耗的能量卻相當(dāng)于其生命周期內(nèi)總輸出量的10%左右。

要普及可印刷太陽(yáng)能電池，只能依靠降低制造成本、提高其安全性。研究者和企業(yè)必須聯(lián)手改善這種電池的效率、環(huán)境影響和穩(wěn)定性，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并制定市場(chǎng)滲透計(jì)劃。

光伏起步

太陽(yáng)能行業(yè)迫切需要的是實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)。光伏面板的發(fā)電量與其接觸陽(yáng)光的表面積成正比。全球每年消耗的電力約為2萬(wàn)太瓦時(shí)，若使用光伏設(shè)備，其有效覆蓋面積需達(dá)到10萬(wàn)平方公里左右，相當(dāng)于冰島的面積。

人類還未實(shí)現(xiàn)這樣的生產(chǎn)率。可印刷光伏設(shè)備一般以導(dǎo)電玻璃或塑料為基材，然后在此之上印刷多層材料。每層都有各自的功能：半導(dǎo)體或感光劑吸收可見光，其它材料則將電荷運(yùn)載至電極。

目前，人們正在研發(fā)的可印刷光伏設(shè)備有許多類型。它們各具特色，有些使用有機(jī)半導(dǎo)體，比如聚噻吩，有些則使用包括釕基多聯(lián)吡啶在內(nèi)的吸光染料。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池用納米粒子來(lái)吸收光。一些設(shè)備使用含硫族元素(硫、硒或碲)的半導(dǎo)體，另一些則含有有機(jī)-無(wú)機(jī)光吸收劑，結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦類似。這些設(shè)備都被劃歸為薄膜太陽(yáng)能電池。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室

光電轉(zhuǎn)化效率最高的是鈣鈦礦基電池。雖然只有幾年的研究背景，但最新的鈣鈦礦基電池的轉(zhuǎn)化效率已達(dá)22%，高于多晶硅基太陽(yáng)能電池。盡管如此，鈣鈦礦電池仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，因?yàn)樗鼈儠?huì)在高濕度高溫度下退化。

細(xì)致入微

要均勻印刷數(shù)平米僅有納米到微米厚的材料層——而且不能產(chǎn)生氣孔——是非常困難的。電子行業(yè)一般采用的是絲網(wǎng)印刷法，用穿孔網(wǎng)板來(lái)輸送膏體。但印刷電路板的層厚是光伏設(shè)備的數(shù)百倍，將材料轉(zhuǎn)變成粘性膏體也會(huì)改變它們的物理特性和電氣性質(zhì)。

目前，已有研究者在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了可印刷10平方厘米左右的光伏設(shè)備的其他技術(shù)，包括狹縫給墨(狹縫擠壓式涂布)、噴涂基材、凹版印刷(讓基材通過(guò)圓滾筒)以及通過(guò)供墨裝置用刮刀刮拭基材。

每一種技術(shù)都有各自的缺點(diǎn)。以狹縫擠壓式涂布系統(tǒng)為例，紋理間的間隙較難控制，而縫隙會(huì)減小面板的有效面積。而就凹版印刷而言，印刷機(jī)頭和基材的接觸可能會(huì)損害底層。這些缺點(diǎn)意味著可印刷太陽(yáng)能電池的效率不及最好的非印刷太陽(yáng)能電池的一半。

卷對(duì)卷印刷有機(jī)光伏電池

CSIRO

印刷一平米以上的無(wú)孔薄層需要更精準(zhǔn)的智能設(shè)備和激光加工工藝。一種替代方法是研發(fā)適用于現(xiàn)有工業(yè)印刷方法的光伏材料。

印刷要求材料必須能轉(zhuǎn)化為液體、溶液或膏體。對(duì)于光伏設(shè)備而言，這意味著要么使用化學(xué)溶液(如聚合物、染料或雜化鈣鈦礦)，要么使用納米粒子分散體(如量子點(diǎn))。但如果封裝不當(dāng)，其中許多都會(huì)在幾天或幾周內(nèi)退化;而諸如硅等較為穩(wěn)定的備選材料則較難印刷。

此外，必須平衡設(shè)備效率與設(shè)備制造的環(huán)境影響。最高效的薄膜太陽(yáng)能電池包含有害或稀有的材料，比如鎘、釕、鉛以及有害的有機(jī)溶劑。另一種稀有元素銦是光伏設(shè)備透明導(dǎo)電薄膜中的常用成分，其使用量預(yù)計(jì)也將上升。

礦藏貧化和資源回收率低下可能會(huì)導(dǎo)致銦儲(chǔ)量在本世紀(jì)末耗盡。研究人員正在尋找利用儲(chǔ)量豐富且能溶解處理的材料的方法，以制造有毒廢料較少的高效設(shè)備。舉例來(lái)說(shuō)，碳基電極和材料層使用的貴金屬就相對(duì)較少。截至目前，這類設(shè)計(jì)的效率通常較低。

路在何方?

硅面板的巨大成功是阻礙新興技術(shù)的一道門檻。硅基光伏設(shè)備制造商與兄弟產(chǎn)業(yè)(如計(jì)算產(chǎn)業(yè))共享材料、設(shè)備和操作方法，而印刷設(shè)備的研發(fā)者卻孤立無(wú)援。硅產(chǎn)業(yè)的成熟意味著開發(fā)替代品的需求并不迫切。由于可印刷光伏設(shè)備仍處于研發(fā)階段，資本投資和產(chǎn)品商業(yè)化被視為風(fēng)險(xiǎn)行為。

要讓可印刷光伏設(shè)備從初期發(fā)展壯大，離不開政府的資金扶持，硅基光伏產(chǎn)業(yè)在中國(guó)也經(jīng)歷過(guò)這一過(guò)程。市場(chǎng)滲透應(yīng)該按階段逐步推進(jìn)。一開始，可印刷光伏設(shè)備應(yīng)主攻硅基技術(shù)的弱點(diǎn)，如微光下性能不佳和缺乏便攜性。下一階段，這類設(shè)備應(yīng)與硅太陽(yáng)能電池互補(bǔ)，在理想的情況下與其集成。例如，硅-鈣鈦礦設(shè)備收集的入射光比硅設(shè)備單獨(dú)收集的更多。

如果可印刷太陽(yáng)能電池能占據(jù)5%的光伏市場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)便將確保它們能在滿足不斷增長(zhǎng)的可再生能源需求方面扮演日益重要的角色。