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脑洞大开:批量打印薄膜光伏电池

2016-12-01 09:33
木中君
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  据IEA统计,当前全球每年电量需求约为20000 TWh(1TWh=1000GWh,1GWh=1000MWh,1MWh=1000KWh),而为满足此需求,光电池需覆盖近10万 平方公里的面积(同冰岛陆地面积相当)。因此,低价批量生产光电池对太阳能市场至关重要。而通过打印来批量生产薄膜光伏电池就是一个很好的思路。

  这一思路来自《自然》杂志11月下旬的一篇文章。虽然当前薄膜光伏电池的效率、成本和稳定性都有待提高,薄膜光伏电池的打印技术也远未成熟,但文章唿吁科研人员和公司携手找到克服这些弊端的方法,并提倡政府补贴,帮助薄膜光伏电池在太阳能市场中站稳脚跟。

  薄膜光伏电池

  薄膜光伏电池厚度在几纳米到十几微米之间。

  传统的光伏电池由晶体硅制作,厚度可达200微米,非常厚重而且造价高昂。薄膜光伏电池厚度在几纳米到十几微米之间。它最早的广泛运用出现在70年代。小块的非晶体硅光伏电池被运用在我们今天依然熟悉的太阳能计算器。最近,薄膜光伏电池面积更大,并被投入更大规模的使用。当前市面上的薄膜光伏电池有4种:碲化镉电池(CdTe),铜铟镓硒化物电池(CIGS),砷化镓电池(GaAs)和非晶体硅电池。尚在研发的钙钛矿光伏电池是当前效率最高的(堪比传统晶体硅光伏电池),但是因为它在高湿度和温度下的不稳定性,钙钛矿光伏电池还未能进入市场。总体而言,薄膜光伏电池比传统晶体硅电池相比要更灵活,轻盈,透明并且摩擦力小。

  制造薄膜光伏电池仅需极少的材料,大大降低成本和二氧化碳排量。和传统光伏电池相比,薄膜电池能在较差天气里甚至室内更好地发电。薄膜可做成半透明的粘附层贴到楼房的墙壁和窗户上,也可贴在手机和手表里。

  然而,目前全球90%的光伏电池都为传统晶体硅光伏电池,而大部分的科研和投资也都在这一领域。这主要因为薄膜光伏电池在技术上还有极大难题需要克服:有些在制作中使用了重金属等有害物质,另一些则光电转化率低且煺化迅速。

  薄膜光伏电池的打印技术

  2008年Konarka利用喷墨式打印机制作了第一个太阳能光伏电池。而在2011年,俄勒冈州立大学利用喷墨打印机制作了第一个薄膜铜铟镓硒化物电池(CIGS)。在此之前,2009年二月份,莫纳什大学与澳大利亚的安保印钞国际合作,利用印刷钞票所使用的高分子打印技术,成功制作了一批薄膜光伏电池。由此,我们开始谈论低成本地批量生产薄膜光伏电池的可能性。

  但是,打印技术依然有着很大的发展空间。要在纳米级精确地打印几十米无缝隙的光伏电池并不简单。大部分打印机尚不具备这样的精准度。美国空军研究实验室的Santanu Bag博士解释道,制作薄膜光伏电池关键要避免表面出现漏洞,因为它会阻止电流的流通,由此大大降低光伏电池的效率。现在投入研发的光伏电池打印技术繁多,但也各有各的弊病。例如,涂布印刷中的重复图案间隙很难控制,而凹版印刷会损坏底层结构,这样打印出来的薄膜太阳能光伏电池效率只有正常情况下的一半不到。

  无论是薄膜光伏电池,还是薄膜光伏电池的打印技术都有很长一条路要走。《自然》认为,这一新科技在市场中站稳脚必须循序渐进,而政府的补贴也是至关重要的,像中国政府就在提高晶体硅太阳能产业的市场竞争力方面扮演了重要角色。

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