■ 李忠東 編譯

新型太陽能產品及技術新突破

■ 李忠東 編譯

3　D打印的太陽電池板“紙”可為整棟樓供能

太陽電池板正在逐步改變著我們的能源獲取方式，已被越來越多的人認可和接受。當前，晶體硅是最主要的電池板材料，但制作成本很高，難以普遍推廣。

為了改變上述狀況，世界各國的科研人員都在積極嘗試使用“增材制造”(AM)技術來優(yōu)化太陽電池板的生產工藝，以實現建造自我供電的新一代房屋的夢想。AM技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除——切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法。AM技術近20年來取得了快速發(fā)展，“快速原型制造”“3D打印”“實體自由制造”類叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。

過去幾年間，一個由澳大利亞50位科學家組成的團隊一直在通過AM技術研發(fā)一種有機可打印的太陽電池板，現在已取得成功。它雖然只有紙一樣薄，但優(yōu)勢明顯，供電能力一點也不差。有趣的是，將這種太陽電池板貼合在建筑物上，甚至能為一整棟摩天大樓提供源源不斷的能源。研究人員通過反復攻關，改進了一種3D打印機，可使用太陽能墨水來制造太陽電池板。與傳統(tǒng)的硅基太陽電池板相比，這種新產品不僅輕薄，制作成本也非常低廉，使用方法如同連接電池一樣簡單。它可在屋頂或玻璃等實際的房屋上直接利用3D打印技術打印出來，節(jié)省了制造電池板的諸多繁瑣環(huán)節(jié)。

3D打印以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。它實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置，與普通打印機工作原理基本相同。打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”層層疊加，最終把計算機上的藍圖變成實物。

目前，研究人員已成功借助改進型的太陽能墨水3D打印機將每個有機太陽電池單元減小到只有硬幣大小的體積。這種太陽電池板物美價廉，樣子和工作方式與傳統(tǒng)的硅基太陽電池板都有所不同?？茖W家試圖將這些小巧體積的產品用于大型建筑物以外的小物體上。如果這一設想能實現，那么風靡全球的蘋果平板電腦表面、筆記本背包和手機外殼等將成為能源收集器，為這些可移動設備提供電能。

研發(fā)團隊希望此種太陽電池板項目能夠得到政府的支持，如果得以大規(guī)模推廣，將減少一些發(fā)達國家對傳統(tǒng)能源的依賴，同時為發(fā)展中國家處于電網之外的偏遠地區(qū)提供一種低成本、高效率、可實行的電力來源。如此就可不必擔心能源匱乏問題，而且還會緩解因化石能源帶來的環(huán)境污染問題。墨爾本大學和蒙納士大學組成的合作機構甚至已經開始考慮如何將這項技術送到世界上那些幾乎用不上電的偏遠地區(qū)。研發(fā)者希望能夠在不遠的將來，以低能源為應用起點，逐步實現這種新型發(fā)電裝置的商業(yè)化制造。此種太陽電池板計劃面向市場進行推廣，相信以目前的發(fā)展速度，這樣美好的未來很快就會到來。

背包式太陽電池讓士兵告別沉重負擔

隨著太陽能供電背包的突破性發(fā)展，澳大利亞陸軍再過幾年就可告別沉重的電池負擔。士兵們在一次為時72 h的訓練任務中，測試了澳大利亞國立大學(ANU)開發(fā)的易彎曲的“薄條”太陽電池技術，證明完全可用于商業(yè)銷售。硅電池雖然僅長6 cm、寬1.5 mm，但組合在一起時可用于包括GPS裝置和夜視鏡在內的各種電子設備。太陽電池板還能為微型攝像機和傳感器供電，而用普通電池就無法做到這一點。因為可不斷地對太陽電池板充電，所以在執(zhí)行數天、數周或數月任務時都能保證有電能可用。

“士兵們有時要攜帶數千克重量的電池，如果能夠取消其中的大部分，并用可充電電池取而代之，可以省掉不少電池，攜帶的重量就更輕?！敝鞒诌@項研究的澳大利亞國立大學可持續(xù)能源系統(tǒng)中心主任安德魯·布萊克斯教授表示：“太陽能電池背包不僅可以減輕士兵的負荷，還可以有更長的續(xù)航力?！?/p>

剛開始時，科學家打算用玻璃開發(fā)這種電池，但確保易彎曲的要求使他們想到了應用塑料的可能性。另外，適合使用這種易彎曲輕便電池的民用產品數量也很巨大。經過反復研究和實驗，最后推出一種可以編織成織物、容易彎曲、重量輕的電池。

由于試驗不同尋常，澳大利亞國立大學開始與工業(yè)合作伙伴一起將項目成果商業(yè)化。盡管這種太陽電池有可能進入軍用市場，但像許多軍用資源一樣，預計將吸引更廣泛的客戶群。

新型噴涂技術將光電轉換效率提升約11％

據英國《每日郵報》報道，英國謝菲爾德大學的一個科研團隊成功將一種噴涂技術用于鈣鈦礦太陽電池板的研制，應用這種材料與技術有助于降低太陽能發(fā)電的成本。在此之前，這所大學物理與天文學院及化學與生物工程學院的專家就曾使用噴涂技術來生產有機半導體材料的太陽電池。而這次采用鈣鈦礦材料，可稱得上是在這個基礎上的一大突破。

在2012年，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的光電材料第一次對外展示。由于這項技術能將高效率和低成本很好地結合起來，因此現在已成為太陽電池領域非常有前景的選擇材料。特別值得一提的是，運用像汽車噴漆與圖像打印產業(yè)那樣的材料噴涂技術，不但可最大限度地減少材料的浪費，而且更適合大規(guī)模的生產性應用。謝菲爾德大學科研團隊發(fā)現，通過噴涂鈣鈦礦材料層，可將原先的太陽電池板效率提升約11％。

這項成果有力推進了現有的研究開發(fā)工作，標志著鈣鈦礦涂層技術將開始逐漸走出實驗室。這是邁向高效而低成本太陽電池板的關鍵性一步，科學家希望通過采用集約的噴涂工藝能夠將成本進一步降低。

有機太陽電池板的最佳能效轉換功率約為10％，目前采用鈣鈦礦材料的太陽電池板已達到19％的轉化效率，較接近硅材料太陽電池板25％的轉化效率。而在太陽能光伏電池市場上，硅材料太陽電池板是占據絕對壟斷地位的產品。

“時至今日，人們對基于鈣鈦礦的光電材料非常感興趣。更重要的是，這款材料將有望把成熟太陽電池材料的高表現和有機光電材料的低成本制造結合起來?！敝x菲爾德大學科研團隊的首席科學家大衛(wèi)·利茲教授指出：“我們研發(fā)的鈣鈦礦材料太陽電池板仍然采用與有機太陽電池板相似的結構，所做的主要是更換了其核心的光吸收層材料——有機物層，并將其替換成了噴涂的鈣鈦礦材料層。采用鈣鈦礦層取代有機物吸收層，讓產品的能量轉化率出現了顯著的提升?！?/p>

作為光伏領域的一名新“成員”，鈣鈦礦材料太陽電池的能量轉換效率已提高到

15％以上?；谟袡C-無機雜化的鈣鈦礦結構半導體材料中最常見的三碘離子化合物往往具有高的載流子遷移率，加上較長的載流子壽命，意味著光生電子和空穴能夠移動足夠的距離而被外電路收集形成電流，而不是在電池中以熱能的形式損耗它們的能量。在促進和推廣太陽能應用方面，鈣鈦礦材料太陽電池起到重要作用?？茖W家表示，它之所以具有很好的商業(yè)應用前景，有3個主要因素：一是能量轉換效率，二是成本，三是穩(wěn)定性。

人類面臨的能源和環(huán)境問題日益突出，開發(fā)包括太陽能在內的新能源和可再生能源已成為世界范圍的重大課題，隨著政府、研究機構和企業(yè)投入的不斷加大，光伏產業(yè)的革命性發(fā)展結果可以預期。光伏發(fā)電在2030年將成為成熟的主要的能源技術，到2050年可能成為全球性主導能源之一。通過市場主體的企業(yè)和研究機構的不斷努力，加上政府對新興產業(yè)的戰(zhàn)略性支持，可以確保和加速整個進程的實現，光伏產業(yè)的明天一定會更加絢爛多彩。