太阳能电池玩出新花样

近日，美国瘾科技(Engadget)网站报道了几款极具创新性的太阳能电池，有的脸蛋像花朵相同，颜值超高;有的身段像瑜伽运动员相同柔软，更重要的是，它们全都实力超强。

全角度捕获太阳光

绝大多数太阳能面板都是平板的样子，这种太阳能面板虽说可以采用技术使其随着太阳一天的移动路径而转动角度，但这一设计仍然具有很大的局限性，尤其是效率不足。

去年，V3太阳能(V3Solar)公司研制的自旋电池(SpinCell)首次公布，它将太阳能电池板放在一个独特的锥形支架上，使其能全角度吸收太阳能。该公司表示，根据第三方机构验证，目前研发出的型号出现的电力为静态平板太阳能面板出现电力的20多倍，而且非常耐用，因为自旋行为能防止自旋电池过热这是传统太阳能电池面对的一个大问题。此外，和传统太阳能电池板相比，V3占据的空间非常小。

无独有偶。2012年，日本Kyosemi公司研制出Sphelar球形太阳能电池，也没有采用传统的平面设计，而是采用了更加高效的球状设计，看起来就像迪斯科球。球状设计拥有诸多好处：不要移动，可以充分吸收和利用太阳光线，最大限度地暴露在阳光之下，因此，不要复杂的太阳能追踪系统;此外，由于这种电池不是平面设计，对表面积的要求相对少一些，人们可以在更小的空间里放置更多太阳能电池。

颜值高、身段软、经济实惠

近期，柔性材料在科技界大放光芒，除了屏幕，它还成了太阳能电池板的组成部分。位于美国洛杉矶的初创公司Sunflare的CIGS(铜铟镓硒)柔性太阳能电池，就是其中的典型代表。这种电池身段柔软，可像墙纸相同卷起来并贴附于任何表面。其体形也很纤巧，体重比传统太阳能电池轻65%，而效率则比传统太阳能电池高10%。这种电池板将成为农村地区和便携式项目完美的解决方法。另外，这种太阳能电池价格也比较亲民，Sunflare公司估计，这种卷曲太阳能电池的发电成本仅为1.07美元/瓦。

与此同时，今年三月份，瑞典AirlightEnergy公司和IBM公司也宣布，他们将于2017年开始在偏远地区建造经济实惠的向日葵形太阳能建筑。向日葵面板整体呈弧形，6个太阳能电池安装在面板后面，而正面的镜面阵列可以把日光强度提高2000倍，能将从阳光中所收集的80%多的太阳能转换成电量。据悉，在晴天，该系统可以出现12千瓦的电力和20千瓦的热能，足以为偏远地区好几户家庭供应正常的电灯、空调和冰箱等日常电器所需电量。

出现的电量为传统电池的50多倍

今年十月三十日，由特斯拉和SolarCity设计的新产品太阳能屋顶亮相洛杉矶环球影城。特斯拉的集成太阳能屋顶系统由独特的玻璃砖组成，同时嵌入高效的光伏电池。特斯拉首席执行官埃隆马斯克在公布会上还展示了特斯拉二代家用储能电池powerwall2.0，这款产品售价5500美元，容量为14千瓦时。当太阳能屋顶与powerwall电池强强联手，可为整个家庭供应100%的可再生能源。

而总部位于美国马里兰州的透明太阳能电池发电涂层开发商太阳能窗户技术公司则称，该公司的透明太阳能电池技术出现的能量为传统太阳能电池板出现能量的50多倍，让最近太阳能领域的很多创新自惭形秽。

太阳能窗户实际上是一个涂层，能被应用于现有的玻璃或塑料表面，发电的同时也不会影响风景或遮挡太阳光。发明者表示，鉴于新系统拥有极高的能量转化率，因此，将比传统太阳能电池板更早收回成本传统太阳能电池可能要11年，而新系统一年内就可以收回成本。

未来的印刷太阳能电池

会像印钞票相同吗?

来源：Nature自然科研(ID:macmillan-nature)，RuebenWu

常规的硅太阳能电池占全球太阳能电池总产量的90%以上，但制造它们所消耗的能量却相当于其生命周期内总输出量的10%左右。

程一兵及同事呼吁加强对开发低价、可量产的薄型光伏设备的关注。

太阳能的未来取决于新旧技术的结合。假如光伏设备能像报纸或钞票相同用印刷设备量产，就能成为低价而普遍的产品。

常规的硅基太阳能板体积庞大、灵活性差。目前，人们已能制造出小而轻薄的半透明柔性薄膜光伏设备。它们耗材较少，并且能在微光下乃至室内发电。若把这种电池应用在手机、钟表、墙壁和窗户中，将会变革全球的能源生产格局、减少污染、缓解气候变化。

不过，柔性太阳能电池板的开发应用也面对着多重阻碍。一些柔性太阳能板使用的是重金属等有害物质，且制造时要使用有害溶剂;一些则会快速退化，光电转化效率也不高。出版、计算和电子行业所使用的印刷机很难印刷出面积以平米计、精度达纳米级的光伏材料。因此，可印刷的太阳能电池尚未在电力市场中找到立足之地。

大部分研发投资都进入了常规硅太阳能电池领域，它们约占全球太阳能电池总产量的90%以上，但制造它们所消耗的能量却相当于其生命周期内总输出量的10%左右。

要普及可印刷太阳能电池，只能依靠降低制造成本、提高其安全性。研究者和公司必须联手改善这种电池的效率、环境影响和稳定性，扩大生产规模，并制定市场渗透计划。

光伏起步

太阳能行业迫切要的是实现低成本量产。光伏面板的发电量与其接触阳光的表面积成正比。全球每年消耗的电力约为2万太瓦时，若使用光伏设备，其有效覆盖面积需达到10万平方公里左右，相当于冰岛的面积。

人类还未实现这样的生产率。可印刷光伏设备一般以导电玻璃或塑料为基材，然后在此之上印刷多层材料。每层都有各自的功能：半导体或感光剂吸收可见光，其它材料则将电荷运载至电极。

目前，人们正在研发的可印刷光伏设备有许多类型。它们各具特色，有些使用有机半导体，比如聚噻吩，有些则使用包括钌基多联吡啶在内的吸光染料。量子点太阳能电池用纳米粒子来吸收光。一些设备使用含硫族元素(硫、硒或碲)的半导体，另一些则含有有机-无机光吸收剂，结构与钙钛矿类似。这些设备都被划归为薄膜太阳能电池。

美国国家可再生能源实验室

光电转化效率最高的是钙钛矿基电池。虽然只有几年的研究背景，但最新的钙钛矿基电池的转化效率已达22%，高于多晶硅基太阳能电池。尽管如此，钙钛矿电池仍无法实现商业化，因为它们会在高湿度高温度下退化。

细致入微

要均匀印刷数平米仅有纳米到微米厚的材料层而且不能出现气孔是非常困难的。电子行业一般采用的是丝网印刷法，用穿孔网板来输送膏体。但印刷电路板的层厚是光伏设备的数百倍，将材料转变成粘性膏体也会改变它们的物理特性和电气性质。

目前，已有研究者在实验室实现了可印刷10平方厘米左右的光伏设备的其他技术，包括狭缝给墨(狭缝挤压式涂布)、喷涂基材、凹版印刷(让基材通过圆滚筒)以及通过供墨装置用刮刀刮拭基材。

每一种技术都有各自的缺点。以狭缝挤压式涂布系统为例，纹理间的间隙较难控制，而缝隙会减小面板的有效面积。而就凹版印刷而言，印刷机头和基材的接触可能会损害底层。这些缺点意味着可印刷太阳能电池的效率不及最好的非印刷太阳能电池的一半。

卷对卷印刷有机光伏电池

CSIRO

印刷一平米以上的无孔薄层要更精准的智能设备和激光加工工艺。一种替代方法是研发适用于现有工业印刷方法的光伏材料。

印刷要求材料必须能转化为液体、溶液或膏体。关于光伏设备而言，这意味着要么使用化学溶液(如聚合物、染料或杂化钙钛矿)，要么使用纳米粒子分散体(如量子点)。但假如封装不当，其中许多都会在几天或几周内退化;而诸如硅等较为稳定的备选材料则较难印刷。

此外，必须平衡设备效率与设备制造的环境影响。最高效的薄膜太阳能电池包含有害或稀有的材料，比如镉、钌、铅以及有害的有机溶剂。另一种稀有元素铟是光伏设备透明导电薄膜中的常用成分，其使用量预计也将上升。

矿藏贫化和资源回收率低下可能会导致铟储量在本世纪末耗尽。研究人员正在寻找利用储量丰富且能溶解处理的材料的方法，以制造有毒废料较少的高效设备。举例来说，碳基电极和材料层使用的贵金属就相对较少。截至目前，这类设计的效率通常较低。

路在何方?

硅面板的巨大成功是阻碍新兴技术的一道门槛。硅基光伏设备制造商与兄弟产业(如计算产业)共享材料、设备和操作方法，而印刷设备的研发者却孤立无援。硅产业的成熟意味着开发替代品的需求并不迫切。由于可印刷光伏设备仍处于研发阶段，资本投资和产品商业化被视为风险行为。

要让可印刷光伏设备从初期发展壮大，离不开政府的资金扶持，硅基光伏产业在我国也经历过这一过程。市场渗透应该按阶段逐步推进。一开始，可印刷光伏设备应主攻硅基技术的弱点，如微光下性能不佳和缺乏便携性。下一阶段，这类设备应与硅太阳能电池互补，在理想的情况下与其集成。例如，硅-钙钛矿设备收集的入射光比硅设备单独收集的更多。

假如可印刷太阳能电池能占据5%的光伏市场，其优点便将确保它们能在满足不断上升的可再生能源需求方面扮演日益重要的角色。