解析為何新一代太陽電池板會推動能源技術革命

T?V南德意志集團光伏部 Robert Puto

在可再生能源領域，太陽能因其巨大的發展潛力脫穎而出。舉例來說，太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達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，并且可以遠程發送能量，如通過環繞地球軌道運行的衛星、荒蕪的沙漠和山區等。

然而，目前太陽電池板(光伏系統)產生的能量僅占全球電力消耗的0.1%。這是為什么呢？主要是因為光伏(PV)技術與化石燃料相比仍然價格昂貴，不僅在陰天時影響使用，而且還需要占用大片的土地來生產足夠的電能。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)，其產生的電力足以為20萬戶家庭供電。這個數據確實令人感嘆?？墒?，有專家認為，如果利用目前的技術給全美國供電，則發電站的邊長就需要大約100英里(約160.9km)。

但好消息是，工程師、研究人員和學者們繼續夜以繼日地工作，試圖找到更好的解決辦法，而且在一些國家已經實現了電網平價(或市電同價，即光伏產生的電力降至和既有商用發電網的電價同等)。在大大小小的項目中，逐步實現電網平價將不斷提高光伏技術在商業上的可行性——這是成功的關鍵因素。

以下簡介了兩個正在發展中的革命性概念，這兩個概念最終會幫助發揮太陽電池板的潛力，根據國際能源署(IEA)的預期，太陽能將在不到20年的時間內占據世界能源需求的5% ，比目前增加4900%。

一 第三代光伏電池

經過數年的研發，第三代光伏電池(包含各種在分子級別上具半導電特性的材料)已初現端倪。其優勢有三:

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的供電規模)。

第二，第三代光伏電池使用價格較低的高通量印刷和涂層技術，該技術在制造期間耗能較少且設備投資較低，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需要清潔的室內環境，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。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電廠，毫不費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

第二個比較突出的創新在于形狀而不是性能，即3D太陽電池板。與2D板不同的是，根據原型機測試，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，平面太陽能板之所以效率低是因為它會反射陽光。根據歷史記錄，第一臺3D太陽能板是由佐治亞技術研究院于2007年設計而成。如今，眾多的大學和公司都在研究新的設計。

麻省理工學院(MIT)工程教授杰弗里·格羅斯曼(Jeffrey Grossman)及其團隊2012年3月設計了一款新型3D太陽能板。這種垂向手風琴式的塔狀結構比傳統平面排列電池的發電量每平方英尺要高出20倍，并且在陰天和晴天的發電量幾乎一樣，而這正是2D太陽能板的短板。這一形狀是通過一個定制的軟件分析工具優選出來的；該軟件測試了無數太陽能板結構，來確定哪種結構能夠生產最多的電能，然后再對性能最高的結構的易制性、運輸及成本進行評估。

MIT團隊認為，一般來說，在有限的空間內(比如平頂裝置或城市環境中)，3D形狀比平面板具有更大的優勢。同時3D形狀還可用于大規模應用，如太陽能電場，只要各塔之間的遮光效能盡量降到最低，目前這個團隊正著手處理這一挑戰。由于3D板在需要的時候能夠平直不折疊地進行運輸，因此，格羅斯曼還認為3D太陽能塔有望用作電動汽車的充電站——這是一個有趣且具潛力的理論。

盡管如此，3D板要取得成功，仍然需要克服商業可行性上的各種障礙。比如，與普通的2D結構相比，塔狀結構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?？墒?，有人認為，因為3D板可以全天以最佳角度捕獲陽光，3D形狀可以降低對機械太陽跟蹤系統的需求，從而抵消增加的成本。無論如何，最終新的技術都要進行嚴格的可行性和可靠性測試；生產技術在大規模生產前需要進行優化。

就像所有新型技術一樣，目前發展太陽能最大的障礙在于實現經濟可行性的同時保證產品質量。太陽電池板的長期可靠性是其能否被市場接受的關鍵。通過在實際操作環境中進行產品的可靠性測試，生產商和操作者可以預估產品在實施時產生的能量。太陽電池板能否在其產品生命周期內持續提供能量是一個至關重要的因素。太陽電池板預設的生命周期是25年以上，因此在實驗室和所有生產階段對其進行測試是確保其能夠達到預設生命周期的關鍵。通過在研發過程中和安裝前進行較強的可靠性測試，可以將其在實際操作中的失敗率降至最小，而在實際操作中的失敗會導致無法挽回的損失或降低能源生產的效率。

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。在光伏領域，第三代光伏電池和3D太陽能板可能會聯手牽頭，引領太陽能技術和智能電網領域的創新。這些創新會真正地為我們所有人提供一個不僅在經濟上，而且在環境上最光明的未來。