大放异彩的太阳能电池板新技术

太阳能曾经专属于先进的航天器和某些新奇的小玩意儿，但如今早已不是这样了。在过去十年中，太阳能已经从一种小众能源转变为全球能源格局的一大支柱。

地球持续受到的太阳辐射约有173,000TW，超过全球平均电力需求的十倍。[1]这意味着太阳能有能力满足我们所有的能源需求。

2023年上半年，太阳能发电量占美国总发电总量的比例从2022年的4.95%上升至5.77%。[2]虽然化石燃料（主要是天然气和煤炭）在2022年美国发电量中的占比高达60.4%，[3]但太阳能日益增强的影响力以及太阳能技术的快速发展值得关注。

太阳能电池的类型

目前，市场上存在晶体、薄膜和新兴技术三大类太阳能电池［也称为光伏（PV）电池］。这三类电池在效率、成本、寿命方面有着各自的优势。

01 晶体

大多数家用屋顶太阳能电池板都是由高纯度单晶硅制成的。该类电池近年来已实现超过26%的效率和30多年的使用寿命。[4]目前家用太阳能电池板的效率约为22%。

多晶硅的成本低于单晶硅，但效率较低，并且寿命较短。效率较低意味着需要更多的电池板和更大的面积。

与传统太阳能电池相比，基于多结砷化镓（GaAs）技术的太阳能电池效率更高。这些电池具有多层结构，并且每一层都采用不同的材料，如磷化铟镓（GaInP）、砷化铟镓（InGaAs）和锗（Ge），用来吸收不同波长的阳光。虽然这些多结电池有望实现很高的效率，但它们仍然存在制造成本高和研发尚不成熟等问题，这限制了它们的商业可行性和实际应用。

02 薄膜

全球市场上薄膜光伏产品的主流是碲化镉（CdTe）光伏组件，此类组件在全球各地已安装了数百万套，峰值发电能力超过30GW，在美国范围内主要用于公用事业规模的发电厂。

在这种薄膜技术中，1平方米太阳能模块的镉含量比AAA大小的镍镉（Ni-Cd）电池还要低。此外，太阳能模块中的镉与碲结合在一起，而碲不溶于水，在1200°C的高温下也能保持稳定。这些因素减轻了薄膜电池中使用碲化镉的毒性危害。

碲在地壳中的含量仅有百万分之0.001。就像铂是稀有元素一样，碲的稀有性也会显著影响碲化镉模块的成本。不过，通过回收利用的做法，这个问题是有可能缓解的。

碲化镉模块的效率可达18.6%，实验室环境中的电池效率能够超过22%。[5]用砷掺杂取代已经用了很久的铜掺杂，可以大大提高模块寿命，达到与晶体电池媲美的程度。

03 新兴技术

使用超薄薄膜（小于1微米）和直接沉积技术的新兴光伏技术将降低生产成本，并为太阳能电池提供高质量的半导体。这些技术有望成为硅、碲化镉和砷化镓等成熟材料的竞争对手。[6]

该领域有三种著名的薄膜技术：铜锌锡硫化物（Cu2ZnSnS4或CZTS）、磷化锌（Zn3P2）和单壁碳纳米管（SWCNT）。在实验室环境中，铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池的效率峰值已达到令人印象深刻的22.4%。然而，要想在商业规模上复现这样的效率水平仍然是一项挑战。[7]

卤化铅钙钛矿薄膜电池是一项引人瞩目的新兴太阳能技术。钙钛矿是一类晶体结构典型化学式为ABX3的物质。它是一种黄色、棕色或黑色的矿物，主要成分为钛酸钙（CaTiO3）。英国Oxford PV公司生产的商用规模硅基钙钛矿叠层太阳能电池实现了创纪录的28.6%效率，并将于今年投入生产。[8]

在短短几年内，钙钛矿太阳能电池就实现了与现有碲化镉薄膜电池相近的效率。在早期的钙钛矿电池研发中，寿命是一个大问题，短到只能以月来计算。

现在，钙钛矿电池已能实现25年或更长的使用寿命。目前，钙钛矿太阳能电池的优势在于转换效率高（超过25%），并且生产成本和生产过程所需的温度都较低。

表1：主要电池类别在实验室研发测试中的转换效率

建筑集成式太阳能电池板

某些太阳能电池在设计上只捕获太阳光谱的一部分，同时允许可见光通过。这些透明电池称为染料敏化太阳能电池（DSC），于1991年诞生在瑞士。近年来的研发新成果提高了DSC的效率，也许用不了多久，这些太阳能电池板就会投放市场。

有些公司在玻璃的聚碳酸酯夹层中注入无机纳米颗粒。该技术中的纳米颗粒能将光谱的特定部分转移到玻璃边缘，使大部分光谱得以通过。聚集在玻璃边缘的光随后被太阳能电池利用。此外，现阶段正在研究将钙钛矿薄膜材料应用于透明太阳能窗和建筑外墙的技术。

太阳能所需的原材料

为了提高太阳能发电量，对硅、银、铜和铝等重要原材料的开采需求将会增加。美国能源部指出，全球约有12%的冶金级硅（MGS）被加工成用于太阳能电池板的多晶硅。[10]

中国是这一领域的主要参与者，2020年全球约70%的MGS和77%的多晶硅供应量都是中国生产的。[11]将硅转化为多晶硅的过程需要非常高的温度。在中国，这些过程的能源主要来自于煤炭。新疆具有丰富的煤炭资源和低廉的电费，其多晶硅产量占到了全球产量的45%。[12]

太阳能电池板的生产消耗了全球约10%的银。银矿开采主要在墨西哥、中国、秘鲁、智利、澳大利亚、俄罗斯和波兰进行，可能会导致重金属污染和当地社区被迫迁移等问题。

铜和铝的开采也给土地使用带来了挑战。美国地质调查局指出，智利的铜产量占全球产量的27%，其次是秘鲁（10%）、中国（8%）和刚果民主共和国（8%）。国际能源机构（IEA）认为，如果到2050年全球可再生能源的使用率达到100%，那么太阳能项目对铜的需求将增加近两倍。[13]

结语

太阳能是不是终有一天会成为我们的主要能源？太阳能的价格在下降，效率在提高。与此同时，有许多不同的太阳能技术路线可供选择。我们什么时候才能确定一两项技术，并使其真正发挥作用？如何将太阳能并入电网？

太阳能从专业能源发展成为主流能源的过程，凸显了它有望满足甚至超越我们的能源需求。虽然晶体太阳能电池目前在市场上占据主导地位，但薄膜技术和新兴技术（如碲化镉和钙钛矿）的进步，为更高效、集成度更高的太阳能应用铺平了道路。太阳能依然面对诸多挑战，如原材料开采对环境的影响，以及生产上存在的瓶颈问题，但这终究是一个快速增长和创新、令人充满希望的行业。

在技术进步和可持续发展实践的适当平衡下，太阳能的成长和发展将为未来更清洁、更丰富的能源前景铺平道路。正因如此，它才会在美国能源结构中呈现出显著增长态势，并有望成为全球性的可持续解决方案。

参考文献

[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