解析為何新一代太陽電池板會推動能源技術(shù)革命

T?V南德意志集團(tuán)光伏部 Robert Puto

在可再生能源領(lǐng)域，太陽能因其巨大的發(fā)展?jié)摿γ摲f而出。舉例來說，太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達(dá)385萬焦耳，大約是人類所消耗能量的7900倍。從這里我們可以看出，只要能夠獲取10%的太陽能量，就可以完全取代地球上所有的化石燃料。除此之外，太陽能還是無噪音的能源，并且可以遠(yuǎn)程發(fā)送能量，如通過環(huán)繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星、荒蕪的沙漠和山區(qū)等。

然而，目前太陽電池板(光伏系統(tǒng))產(chǎn)生的能量僅占全球電力消耗的0.1%。這是為什么呢？主要是因?yàn)楣夥?PV)技術(shù)與化石燃料相比仍然價(jià)格昂貴，不僅在陰天時(shí)影響使用，而且還需要占用大片的土地來生產(chǎn)足夠的電能。舉例來說，目前世界上最大的太陽能電站之一占地10平方英里(約16.9 km2)，其產(chǎn)生的電力足以為20萬戶家庭供電。這個(gè)數(shù)據(jù)確實(shí)令人感嘆。可是，有專家認(rèn)為，如果利用目前的技術(shù)給全美國供電，則發(fā)電站的邊長就需要大約100英里(約160.9km)。

但好消息是，工程師、研究人員和學(xué)者們繼續(xù)夜以繼日地工作，試圖找到更好的解決辦法，而且在一些國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)平價(jià)(或市電同價(jià)，即光伏產(chǎn)生的電力降至和既有商用發(fā)電網(wǎng)的電價(jià)同等)。在大大小小的項(xiàng)目中，逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)將不斷提高光伏技術(shù)在商業(yè)上的可行性——這是成功的關(guān)鍵因素。

以下簡介了兩個(gè)正在發(fā)展中的革命性概念，這兩個(gè)概念最終會幫助發(fā)揮太陽電池板的潛力，根據(jù)國際能源署(IEA)的預(yù)期，太陽能將在不到20年的時(shí)間內(nèi)占據(jù)世界能源需求的5% ，比目前增加4900%。

一 第三代光伏電池

經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)，第三代光伏電池(包含各種在分子級別上具半導(dǎo)電特性的材料)已初現(xiàn)端倪。其優(yōu)勢有三:

第一，第三代光伏電池的效率可能是第一代（晶體硅)和第二代(薄膜光伏)電池的兩倍甚至三倍，也就是說，先前提到的10平方英里的太陽能電站在幾年之后將可以為60萬戶家庭提供充足的電力，而不是20萬戶(即1/3的供電規(guī)模)。

第二，第三代光伏電池使用價(jià)格較低的高通量印刷和涂層技術(shù)，該技術(shù)在制造期間耗能較少且設(shè)備投資較低，因此會比之前幾代的成本大大降低。如，制造第一代和第二代電池時(shí)需要清潔的室內(nèi)環(huán)境，而第三代則不需要。

第三，第三代光伏電池具有靈活性。具體來說，其較高的吸光性可以使其厚度只有幾微米，且具有高透明度，因此，可以通過絲網(wǎng)印刷印在窗戶上。這樣一來，我們就可以把電池直接安裝在建筑物內(nèi)。將來，從建筑物到大橋再到其他，所有一切都可以是一家大型發(fā)電廠，毫不費(fèi)力地獲取太陽能來滿足我們不斷增長的需求。

二 3D太陽電池板

第二個(gè)比較突出的創(chuàng)新在于形狀而不是性能，即3D太陽電池板。與2D板不同的是，根據(jù)原型機(jī)測試，3D太陽能板可以捕獲到幾乎所有照射在太陽能板上的陽光。其實(shí)，平面太陽能板之所以效率低是因?yàn)樗鼤瓷潢柟狻８鶕?jù)歷史記錄，第一臺3D太陽能板是由佐治亞技術(shù)研究院于2007年設(shè)計(jì)而成。如今，眾多的大學(xué)和公司都在研究新的設(shè)計(jì)。

麻省理工學(xué)院(MIT)工程教授杰弗里·格羅斯曼(Jeffrey Grossman)及其團(tuán)隊(duì)2012年3月設(shè)計(jì)了一款新型3D太陽能板。這種垂向手風(fēng)琴式的塔狀結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)平面排列電池的發(fā)電量每平方英尺要高出20倍，并且在陰天和晴天的發(fā)電量幾乎一樣，而這正是2D太陽能板的短板。這一形狀是通過一個(gè)定制的軟件分析工具優(yōu)選出來的；該軟件測試了無數(shù)太陽能板結(jié)構(gòu)，來確定哪種結(jié)構(gòu)能夠生產(chǎn)最多的電能，然后再對性能最高的結(jié)構(gòu)的易制性、運(yùn)輸及成本進(jìn)行評估。

MIT團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，一般來說，在有限的空間內(nèi)(比如平頂裝置或城市環(huán)境中)，3D形狀比平面板具有更大的優(yōu)勢。同時(shí)3D形狀還可用于大規(guī)模應(yīng)用，如太陽能電場，只要各塔之間的遮光效能盡量降到最低，目前這個(gè)團(tuán)隊(duì)正著手處理這一挑戰(zhàn)。由于3D板在需要的時(shí)候能夠平直不折疊地進(jìn)行運(yùn)輸，因此，格羅斯曼還認(rèn)為3D太陽能塔有望用作電動汽車的充電站——這是一個(gè)有趣且具潛力的理論。

盡管如此，3D板要取得成功，仍然需要克服商業(yè)可行性上的各種障礙。比如，與普通的2D結(jié)構(gòu)相比，塔狀結(jié)構(gòu)覆蓋相同的面積就需要更多的太陽能板，這樣一來就會增加制造成本。可是，有人認(rèn)為，因?yàn)?D板可以全天以最佳角度捕獲陽光，3D形狀可以降低對機(jī)械太陽跟蹤系統(tǒng)的需求，從而抵消增加的成本。無論如何，最終新的技術(shù)都要進(jìn)行嚴(yán)格的可行性和可靠性測試；生產(chǎn)技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)前需要進(jìn)行優(yōu)化。

就像所有新型技術(shù)一樣，目前發(fā)展太陽能最大的障礙在于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性的同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量。太陽電池板的長期可靠性是其能否被市場接受的關(guān)鍵。通過在實(shí)際操作環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性測試，生產(chǎn)商和操作者可以預(yù)估產(chǎn)品在實(shí)施時(shí)產(chǎn)生的能量。太陽電池板能否在其產(chǎn)品生命周期內(nèi)持續(xù)提供能量是一個(gè)至關(guān)重要的因素。太陽電池板預(yù)設(shè)的生命周期是25年以上，因此在實(shí)驗(yàn)室和所有生產(chǎn)階段對其進(jìn)行測試是確保其能夠達(dá)到預(yù)設(shè)生命周期的關(guān)鍵。通過在研發(fā)過程中和安裝前進(jìn)行較強(qiáng)的可靠性測試，可以將其在實(shí)際操作中的失敗率降至最小，而在實(shí)際操作中的失敗會導(dǎo)致無法挽回的損失或降低能源生產(chǎn)的效率。

太陽能是偉大的能源。它不僅給你我提供了能量，賜予我們生命和食物，并且在未來數(shù)年，它將為我們的家庭、汽車和貨物提供越來越多的能量。在光伏領(lǐng)域，第三代光伏電池和3D太陽能板可能會聯(lián)手牽頭，引領(lǐng)太陽能技術(shù)和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。這些創(chuàng)新會真正地為我們所有人提供一個(gè)不僅在經(jīng)濟(jì)上，而且在環(huán)境上最光明的未來。