薄膜技术的能量效率与优势分析

为了以低廉的成本制造太阳能模块——更低的能耗和更少的材料，几家制造商已经转而采用新技术，这就是薄膜。与采用以前技术的制造商不同，薄膜生产商制造整个模块，而不是先制作单个电池再组装成模块。因为省却了把电池组装成模块这一步，所以节省了能耗、时间和资金。

硅基薄膜也就是非晶硅，在这种太阳能的设计中，硅直接沉积到金属衬板（铝、玻璃甚至塑料）上，采用的技术叫做化学气相沉积。这样，就产生出薄膜光电材料。经固化后，再用激光刻绘电池并将新形成的电池相互连接起来。

PV的能量偿还时间

您可能听人说过，制造一套PV系统所耗费的能量比它在寿命期限内所发出的能量要多。这种说法并不准确。

虽然制造PV系统的太阳能电池、模块及其他元件需要消耗能量，但是能量偿还时间实际上短得惊人——只需要一到两年。这个结论来自于2006年的Crystal-Clear项目，该项目由欧洲PV制造企业联合会（http：//www.ipcrystalclear.info/default.aspx）资助，研发先进的工业化晶体硅PV技术。2008年，Justine Sanchez在《Home Power》上发表了题为“PV Energy Payback”的文章，其中说道，“假定PV系统能够持续发电30年或者更长，那么PV系统在寿命周期内的发电量将远远超过制造该系统所消耗的能量。”

CrystalClear的研究表明，采用单晶太阳能电池构成的PV系统用两年的时间所产生的能量就等同于制造整个PV系统所需要能量。研究者还计算了多晶电池以及采用条带技术制造的多晶太阳能电池的能量偿还时间。计算表明，要产生等同于制造时所消耗的能量，多晶系统需要1.7年，而条带多晶PV的模块则需要1.5年。国家可再生能源实验室称，薄膜模块制造时的能耗更低，因此能量偿还时间在一年以内。

这些研究是在类似于南欧的阳光条件下进行的，南欧的平均日照率为4.7峰值日照小时。处于天气较为晴朗的那些PV系统，其能量偿还时间将会较快；而处于天气不怎么晴朗的那些PV系统，其能量偿还时间则会较慢。

制造PV系统所耗能量中的绝大部分都被用于生产模块——总能量的约93%被用作制造模块。就像刚刚提到的那样，耗能最高的模块是用单晶太阳电池制成的模块，制造多晶电池模块所需能量比单晶模块少15%，而生产条带电池模块所需能量比单晶的少25%，比多晶的少12%。薄膜技术所需能量更少，大约比单晶模块少50%。(www.xing528.com)

目前，薄膜PV采用非晶硅和另外三种半导体化合物材料制成，分别是碲化镉（CdTe）、二硒化铟铜（CIS）和二硒化镓铟铜（CIGS）。Erika Weliczko在《Home Power》（第127期）发表的文章中说道，非晶硅的一个优点是，它能制造成连续的长卷，或者与其他衬底结合到一起，如叠层板、木瓦和屋面材料，甚至背包。

多年来，薄膜技术用于制造微型太阳电池，用于驱动计算器及类似的元件。虽然运行起来还可以，但是用于这些技术领域的电池只有5%左右的效率。另外，在强烈的阳光下，这些电池会被损坏，导致它们不能用于太阳能模块。

为了解决这些问题，薄膜PV制造商在其模块上面加了数层非晶硅或者其他材料，以便增加模块的效率，达到约8%～9%，且防止光电效应变弱。

为了提高这种颇具前景的技术的效率，制造商做了很多努力。他们通过精心筛选半导体，做出的太阳能模块能够吸收几乎太阳的全部光谱，获取最多的太阳能，从而得到了效率更高的PV电池——能够将更多太阳能转换成电力。例如，科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的研究者已经开发出一种多层薄膜电池，即多结PV电池。它由许多薄层构成，每一层包含一种不同的半导体，而每一种半导体能够吸收一种不同波长（颜色）的光线。这就使得太阳电池把照射到它上面的阳光更多地吸收下来。

最初，开发多结太阳电池是用来为人造卫星供电，必须采用超轻的元件。对于商用和民用场合，这种电池就过于昂贵了，但是现在，它们正被用于制作高效聚光PV（稍后讨论）。

薄膜技术有几方面的优势，超过了单晶和多晶太阳能电池。最重要的优势之一是，它的能耗显著降低，这是因为它取消了昂贵且高耗能的硅锭生产和晶圆切割过程，而这些过程是制作单晶和多晶PV电池所必需的。另一个明显的优势是，它所用的材料较少。硅虽然储量丰富，但并不便宜。近年来，这种半导体的供应受到限制，因为计算机工业使用硅制造计算机芯片，具有竞争性需求。薄膜PV的另一优势是，它对高温的敏感程度较低。100°F时，晶体模块的发电量会有6%的损失，而薄膜非晶硅阵列只会有2%的损失。这就使得薄膜PV成为晴朗天气的好选择，只要您的房顶上有空场即可。薄膜PV比晶体PV的耐阴性好一点，正如Erika Weliczko所指出的，“许多薄膜电池与模块等长，要遮挡这样的整块电池比遮挡传统的5 in或6 in的方形或圆形晶体电池更难。”UniSolar是一家生产模块的公司，他们为每块PV电池都加入了旁路二极管。这些二极管允许电流绕开或者旁路被遮挡的电池（遮挡会增加PV电池的电阻，降低模块中流动的电流）。薄膜还有一个优点，薄膜产品为均匀一致的黑色，于是受到建筑师、房主及其他人的青睐。

薄膜PV的一个主要缺点是效率低。大多数薄膜产品的效率为6%～8%。效率越低就意味着阵列越大。比如说要实现1kW的阵列，如果采用薄膜PV的话，需要180ft^2[2]的屋顶空间，而如果采用晶体PV模块的话，只需要90ft²。另一个可能的不足是，薄膜模块需要经过6～12个月才能达到稳定，即额定出力。而晶体模块当即就是稳定的。因为薄膜在最开始的输出要偏高20%～25%，因此在确定导体、充电控制器、逆变器及PV系统其他元件的规格的时候，必须加以小心，避免阵列超过额定容量。薄膜PV的另一个关键的缺点是，模块产生的电力为高压小电流。电压越高，能够串联的模块数量就越少（美国国家电气法案禁止电压不高于600V的无蓄电池的并网系统）。基于蓄电池的系统的逆变器需要更低的电压——12V、24V和48V。所以，高压输出使得采用薄膜模块的系统设计难度增大，要保证它不超过逆变器的允许输入电压（对于基于蓄电池的系统，安装人员可以采用降压充电控制器，这样能够把阵列发出的电压降低到合适的蓄电池充电电压）。