近日，美國癮科技(Engadget)網站報道了幾款極具創(chuàng)新性的太陽能電池，有的臉蛋像花朵一樣，顏值超高;有的身段像瑜伽運動員一樣柔軟，更重要的是，它們全都實力超強。
全角度捕獲太陽光
絕大多數(shù)太陽能面板都是平板的樣子，這種太陽能面板雖說可以采用技術使其隨著太陽一天的移動路徑而轉動角度，但這一設計仍然具有很大的局限性，尤其是效率不足。
去年，V3太陽能(V3 Solar)公司研制的自旋電池(Spin Cell)首次發(fā)布，它將太陽能電池板放在一個獨特的錐形支架上，使其能全角度吸收太陽能。該公司表示，根據(jù)第三方機構驗證，目前研發(fā)出的型號產生的電力為靜態(tài)平板太陽能面板產生電力的20多倍，而且非常耐用，因為自旋行為能防止自旋電池過熱——這是傳統(tǒng)太陽能電池面臨的一個大問題。此外，和傳統(tǒng)太陽能電池板相比，V3占據(jù)的空間非常小。
無獨有偶。2012年，日本Kyosemi公司研制出Sphelar球形太陽能電池，也沒有采用傳統(tǒng)的平面設計，而是采用了更加高效的球狀設計，看起來就像迪斯科球。球狀設計擁有諸多好處：不需要移動，可以充分吸收和利用太陽光線，最大限度地暴露在陽光之下，因此，不需要復雜的太陽能追蹤系統(tǒng);此外，由于這種電池不是平面設計，對表面積的要求相對少一些，人們可以在更小的空間里放置更多太陽能電池。
顏值高、身段軟、經濟實惠
近期，柔性材料在科技界大放光芒，除了屏幕，它還成了太陽能電池板的組成部分。位于美國洛杉磯的初創(chuàng)公司Sunflare的CIGS(銅銦鎵硒)柔性太陽能電池，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并貼附于任何表面。其體形也很纖巧，“體重”比傳統(tǒng)太陽能電池輕65%，而效率則比傳統(tǒng)太陽能電池高10%。這種電池板將成為農村地區(qū)和便攜式項目完美的解決方案。另外，這種太陽能電池價格也比較親民，Sunflare公司估計，這種卷曲太陽能電池的發(fā)電成本僅為1.07美元/瓦。
與此同時，今年3月份，瑞典Airlight Energy公司和IBM公司也宣布，他們將于2017年開始在偏遠地區(qū)建造經濟實惠的向日葵形太陽能建筑。向日葵面板整體呈弧形，6個太陽能電池安裝在面板后面，而正面的鏡面陣列可以把日光強度提高2000倍，能將從陽光中所收集的80%多的太陽能轉換成電量。據(jù)悉，在晴天，該系統(tǒng)可以產生12千瓦的電力和20千瓦的熱能，足以為偏遠地區(qū)好幾戶家庭提供正常的電燈、空調和冰箱等日常電器所需電量。
產生的電量為傳統(tǒng)電池的50多倍
今年10月30日，由特斯拉和Solar City設計的新產品——太陽能屋頂亮相洛杉磯環(huán)球影城。特斯拉的集成太陽能屋頂系統(tǒng)由獨特的玻璃磚組成，同時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)布會上還展示了特斯拉二代家用儲能電池Powerwall 2.0，這款產品售價5500美元，容量為14千瓦時。當太陽能屋頂與Powerwall電池強強聯(lián)手，可為整個家庭提供100%的可再生能源。
而總部位于美國馬里蘭州的透明太陽能電池發(fā)電涂層開發(fā)商太陽能窗戶技術公司則稱，該公司的透明太陽能電池技術產生的能量為傳統(tǒng)太陽能電池板產生能量的50多倍，讓最近太陽能領域的很多創(chuàng)新自慚形穢。
“太陽能窗戶”實際上是一個涂層，能被應用于現(xiàn)有的玻璃或塑料表面，發(fā)電的同時也不會影響風景或遮擋太陽光。發(fā)明者表示，鑒于新系統(tǒng)擁有極高的能量轉化率，因此，將比傳統(tǒng)太陽能電池板更早收回成本——傳統(tǒng)太陽能電池可能需要11年，而新系統(tǒng)一年內就可以收回成本。
未來的印刷太陽能電池
會像印鈔票一樣嗎?
來源：Nature自然科研(ID:macmillan-nature)，Rueben Wu
常規(guī)的硅太陽能電池占全球太陽能電池總產量的90%以上，但制造它們所消耗的能量卻相當于其生命周期內總輸出量的10%左右。
程一兵及同事呼吁加強對開發(fā)低價、可量產的薄型光伏設備的關注。
太陽能的未來取決于新舊技術的結合。如果光伏設備能像報紙或鈔票一樣用印刷設備量產，就能成為低價而普遍的產品。
常規(guī)的硅基太陽能板體積龐大、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備。它們耗材較少，并且能在微光下乃至室內發(fā)電。若把這種電池應用在手機、鐘表、墻壁和窗戶中，將會變革全球的能源生產格局、減少污染、緩解氣候變化。
不過，柔性太陽能電池板的開發(fā)應用也面臨著多重阻礙。一些柔性太陽能板使用的是重金屬等有害物質，且制造時要使用有害溶劑;一些則會快速退化，光電轉化效率也不高。出版、計算和電子行業(yè)所使用的印刷機很難印刷出面積以平米計、精度達納米級的光伏材料。因此，可印刷的太陽能電池尚未在電力市場中找到立足之地。
大部分研發(fā)投資都進入了常規(guī)硅太陽能電池領域，它們約占全球太陽能電池總產量的90%以上，但制造它們所消耗的能量卻相當于其生命周期內總輸出量的10%左右。
要普及可印刷太陽能電池，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，擴大生產規(guī)模，并制定市場滲透計劃。
光伏起步
太陽能行業(yè)迫切需要的是實現(xiàn)低成本量產。光伏面板的發(fā)電量與其接觸陽光的表面積成正比。全球每年消耗的電力約為2萬太瓦時，若使用光伏設備，其有效覆蓋面積需達到10萬平方公里左右，相當于冰島的面積。
人類還未實現(xiàn)這樣的生產率?？捎∷⒐夥O備一般以導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：半導體或感光劑吸收可見光，其它材料則將電荷運載至電極。
目前，人們正在研發(fā)的可印刷光伏設備有許多類型。它們各具特色，有些使用有機半導體，比如聚噻吩，有些則使用包括釕基多聯(lián)吡啶在內的吸光染料。量子點太陽能電池用納米粒子來吸收光。一些設備使用含硫族元素(硫、硒或碲)的半導體，另一些則含有有機-無機光吸收劑，結構與鈣鈦礦類似。這些設備都被劃歸為薄膜太陽能電池。
美國國家可再生能源實驗室
光電轉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化效率已達22%，高于多晶硅基太陽能電池。盡管如此，鈣鈦礦電池仍無法實現(xiàn)商業(yè)化，因為它們會在高濕度高溫度下退化。
細致入微
要均勻印刷數(shù)平米僅有納米到微米厚的材料層——而且不能產生氣孔——是非常困難的。電子行業(yè)一般采用的是絲網印刷法，用穿孔網板來輸送膏體。但印刷電路板的層厚是光伏設備的數(shù)百倍，將材料轉變成粘性膏體也會改變它們的物理特性和電氣性質。
目前，已有研究者在實驗室實現(xiàn)了可印刷10平方厘米左右的光伏設備的其他技術，包括狹縫給墨(狹縫擠壓式涂布)、噴涂基材、凹版印刷(讓基材通過圓滾筒)以及通過供墨裝置用刮刀刮拭基材。
每一種技術都有各自的缺點。以狹縫擠壓式涂布系統(tǒng)為例，紋理間的間隙較難控制，而縫隙會減小面板的有效面積。而就凹版印刷而言，印刷機頭和基材的接觸可能會損害底層。這些缺點意味著可印刷太陽能電池的效率不及最好的非印刷太陽能電池的一半。
卷對卷印刷有機光伏電池
CSIRO
印刷一平米以上的無孔薄層需要更精準的智能設備和激光加工工藝。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化為液體、溶液或膏體。對于光伏設備而言，這意味著要么使用化學溶液(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)。但如果封裝不當，其中許多都會在幾天或幾周內退化;而諸如硅等較為穩(wěn)定的備選材料則較難印刷。
此外，必須平衡設備效率與設備制造的環(huán)境影響。最高效的薄膜太陽能電池包含有害或稀有的材料，比如鎘、釕、鉛以及有害的有機溶劑。另一種稀有元素銦是光伏設備透明導電薄膜中的常用成分，其使用量預計也將上升。
礦藏貧化和資源回收率低下可能會導致銦儲量在本世紀末耗盡。研究人員正在尋找利用儲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備。舉例來說，碳基電極和材料層使用的貴金屬就相對較少。截至目前，這類設計的效率通常較低。
路在何方?
硅面板的巨大成功是阻礙新興技術的一道門檻。硅基光伏設備制造商與兄弟產業(yè)(如計算產業(yè))共享材料、設備和操作方法，而印刷設備的研發(fā)者卻孤立無援。硅產業(yè)的成熟意味著開發(fā)替代品的需求并不迫切。由于可印刷光伏設備仍處于研發(fā)階段，資本投資和產品商業(yè)化被視為風險行為。
要讓可印刷光伏設備從初期發(fā)展壯大，離不開政府的資金扶持，硅基光伏產業(yè)在中國也經歷過這一過程。市場滲透應該按階段逐步推進。一開始，可印刷光伏設備應主攻硅基技術的弱點，如微光下性能不佳和缺乏便攜性。下一階段，這類設備應與硅太陽能電池互補，在理想的情況下與其集成。例如，硅-鈣鈦礦設備收集的入射光比硅設備單獨收集的更多。
如果可印刷太陽能電池能占據(jù)5%的光伏市場，其優(yōu)點便將確保它們能在滿足不斷增長的可再生能源需求方面扮演日益重要的角色。
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