太陽能電池板是持續獲得太陽能的工具。我們常常可以看到屋頂上矩形的太陽能板，田野和草原上呈隊列排列的太陽能板。但是我們原本熟知的那種太陽能電池板（長1.7米，寬0.8米，高5釐米）可能要成為歷史了。因為一種新的技術已經可以很好地替代傳統的矽太陽能板，能夠高效、廉價地將太陽能轉變為電能。這項新技術就是薄膜光電轉換電池，到2010年，它們在全球產生的電能已經達到3700兆瓦。
2010年之後，薄膜太陽能電池廣泛進入商業大樓和家居房屋中，產電量得到進一步提高，從加州到肯亞再到中國，都是如此。除了靈活性之外，下文將繼續討論薄膜太陽能電池與傳統太陽能電池相比的優缺點，它們更加高效的原因，以及薄膜太陽能電池是否能夠成為煤和核能的替代品等問題。
什麼是薄膜太陽能電池
如果你使用過太陽能計算器，你就知道太陽能電池是基於薄膜技術的。顯然，計算器中的太陽能電池不大也不笨重，大多數只有2.5釐米長，0.6釐米寬，厚度很薄。薄膜太陽能電池這個名字就是根據其厚度特徵定義出來的。矽晶太陽能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽能電池的吸光層只有1微米厚。1微米也就是1米的百萬分之一。
薄膜太陽能電池的生產者們開始減少吸光材料的層數，比如基體上的半導體、塗層玻璃等。用作半導體的材料不需要很厚，因為它們吸收太陽能非常高效。所以，薄膜太陽能電池輕質、耐用、簡單。
根據所用半導體的類型，薄膜太陽能電池主要有以下三類：非晶矽、碲化鎘和銅銦鎵硒。非晶矽是傳統矽晶太陽能電池的改進版，那麼非晶矽的概念就很好理解了，它們被廣泛應用於太陽能電子器件中，但是非晶矽也存在著一些缺點和不足。
非晶矽太陽能電池最大的問題之一就是其半導體所用的材料，矽在市場上並不容易找到，往往是供小於求；而非晶矽的效率又不夠高。因此，這種電池正經歷著顯著的沒落。更薄的非晶矽電池克服了這一缺點，但是厚度減小後的電池吸收光能的效率更低了。綜上所述，矽的特性使得非晶矽電池適用於小尺寸器件，比如說計算器，但不適用於大尺寸器件，比如靠太陽能供電的建築物。
無矽薄膜光電技術的良好發展開始克服非晶矽存在的問題。接下來，我們將探討碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。
基於玻璃的銅銦鎵硒太陽能電池
基於箔條的銅銦鎵硒太陽能電池
薄膜太陽能電池的結構
因為太陽能電池的功能和結構是密切相關的，所以我們還是有必要回顧一下它的工作原理。薄膜太陽能電池背後的基礎科學知識與傳統的矽晶電池還是相同的。
光電轉換電池需要依賴於半導體。半導體以純物質存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結合時便能夠導電。當半導體材料被混合或摻雜磷後，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導體。當半導體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是P型半導體。
薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導體和P型半導體連接起來，這就是連接面。即使在沒有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導體穿過連接面到達P型半導體，產生一個小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過連接面形成電流。此電流能夠為用電設備供能，從白熾燈到手機充電器。
傳統的太陽能電池在P型半導體和N型半導體中加入矽，而最新一代的薄膜太陽能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代矽。Nanosolar公司已經開發出了一種新工藝將銅銦鎵硒材料製成含油墨的納米粒。一個納米粒是指至少在一維上的尺寸小於1納米的粒子。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統中進行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠是正確的。
下面將對組成兩種非矽薄膜太陽能電池的膜層進行說明。值得注意的是，銅銦鎵硒太陽能電池有兩種基本的外形。玻璃態的電池需要用鉬製造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因為箔條可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負電極之間插入的是半導體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導體和P型半導體的角色，用於傳到電極之間產生的電流。
碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結構。它的一個電極由一層滲了銅的碳膠製成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘製成。所用的半導體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導體和P型半導體的角色。
那麼薄膜太陽能電池的效率與傳統太陽能電池相比如何呢？從理論上而言，矽晶太陽能電池的最大轉換效率是50%，也就是有一半能量能夠轉換為電能。實際上，矽晶太陽能電池一般只能達到15%到25%的轉換效率。薄膜太陽能電池對傳統電池很有競爭力，因為碲化鎘電池的效率已經超過了15%，而銅銦鎵硒電池的轉換效率已經達到了20%。
由於在薄膜太陽能電池中使用了鎘，所以人們擔心這會不會引起健康問題。鎘是一種劇毒成分，像汞一樣，也可以沿食物鏈積累，這是任何一項技術想成為綠色革命所不可避免的缺陷。國家可再生能源實驗室和一些其他的機構公司正在研製無鎘薄膜太陽能電池，這些無鎘技術都想要證明它們與含鎘電池一樣高效。
薄膜太陽能電池的生產
成本問題是太陽能技術廣泛使用的最大阻礙。傳統的矽晶太陽能電池需要複雜的、耗時的生產過程，這使得每一度電的成本大大提高。非矽薄膜太陽能電池生產方便因此更易衝破成本方面的阻礙。
薄膜太陽能電池目前在生產方面取得的最大突破是在箔條狀銅銦鎵硒電池方面。納米太陽能公司用類似於膠印的方法生產他們的太陽能電池，下面就讓我們來看看他們是怎麼做的吧。首先，大量的鋁條在巨大的印表機中緩慢前進，就像列印報紙那樣，鋁條卷可以達到數米寬和數英裡長，這使得產品能夠用於不同的用途。其次，一臺在露天下運轉的印表機將半導體油墨薄層沉積到鋁基體上。這是在玻璃態銅銦鎵硒電池和碲化鎘電池大批量生產中取得的一個巨大進步，原來的生產要求半導體在真空室內沉積，而現在可以在露天下進行，速度更快，成本更低。接著，另一臺印刷機沉積硫化鎘和氧化鋅薄層，其中氧化鋅層是無反射的，這就確保了陽光能夠到達半導體層。最後，鋁箔條被切成一片片的太陽能電池。像傳統矽太陽能電池一樣進行分類裝配，在納米太陽能公司的生產過程中也是有可能採用的，這意味著電池的電學特性能夠滿足，並可以達到最高的面板效率分布和產額。而玻璃態銅銦鎵硒電池不提供自裝配分類單元，因為組成電池的面板並不能很好的符合電學特性，其能量產額與效率也大打折扣。
用於半導體列印的印表機是易於使用和維護的。不僅如此，而且原料浪費得也非常少，這有助於提高整個生產過程的效率和降低太陽能板產電的成本。用傳統的太陽能板生產一瓦特電需要三美元，傳統觀念認為，在將成本降低到1美元沒瓦特之前太陽能技術不會有競爭力。納米太陽能公司宣稱他們的超高效生產方式和革命性的半導體油墨將會使太陽能產電的成本降低到僅僅30美分每瓦特。如果這是真的，那麼太陽能就可以與煤炭競爭了。
薄膜太陽能技術並不是科幻小說。納米太陽能公司的產品已經擁有了廣泛的客戶群，包括全球各地的合作者和政府部門，薄膜太陽能電池的生產者們也非常忙碌。俄亥俄州的第一家太陽能機構與居威太陽能機構合作在德國的薩克森州建立了40兆瓦的碲化鎘薄膜太陽能基地，於2009年竣工。本田公司正在活躍地進行綜合銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的試驗。
如果太陽能薄膜電池能夠將其潛能完全發揮出來，那麼不難想像，在不遠的將來，太陽能將會像陽光一樣無所不在。在城市建築中，薄膜太陽能電池將覆蓋屋頂和房子的正面，在新建房屋中，它們將作為屋頂紙板被整體安裝。此外，它們還能為新一代的太陽能汽車和卡車供能。
本文來自材料人網薄膜材料學習小組陳鑫峰投稿。
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