未來城市發(fā)展必然選擇 薄膜太陽能電池爆發(fā)

有人預(yù)計，21世紀(jì)中期世界人口將超過90億人。要解決人口與資源環(huán)境之間的矛盾，實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，關(guān)鍵是擺脫過度依賴礦物能源原料的經(jīng)濟模式，以及相關(guān)的政策設(shè)計和消費觀念。

從上個世紀(jì)60年代開始，綠色創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)歷經(jīng)對污染的控制和處理技術(shù)(末端技術(shù))、合理有效的利用資源(無廢工藝)、盡力實現(xiàn)零排放(廢棄物最少化技術(shù))、節(jié)能減排降耗(清潔生產(chǎn)技術(shù))、預(yù)防從源頭消減(污染預(yù)防技術(shù))等等，這一路走過來，治標(biāo)而沒有治本，只是延緩了不可持續(xù)的過程。

作為綠色創(chuàng)新發(fā)展的理想狀態(tài)，人們的生產(chǎn)生活應(yīng)該不消耗過去的積累，也不產(chǎn)生影響未來的排放。這就需要我們將目光投向太陽能的開發(fā)利用。太陽每年送給地球的能量相當(dāng)100億億kWh，每人約1.7億kWh。目前，全球人類每年能源消費總和只相當(dāng)于太陽在40分鐘內(nèi)照射到地球表面的能量，也就是說只要能夠?qū)⒉坏饺f分之一的太陽能利用起來，就可以解決未來人類所有的能源需求。

這里重點闡述薄膜太陽能電池未來發(fā)展問題。太陽能電池發(fā)電具有許多優(yōu)點，如安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，無需消耗燃料，無機械轉(zhuǎn)動部件，故障率低，維護(hù)方便，可以方便地與建筑物相結(jié)合等。這些優(yōu)點都是常規(guī)發(fā)電所不及的。但由于太陽能電池成本較高，目前在社會整體能源結(jié)構(gòu)中所占比例很小。

薄膜太陽電池在降低成本方面比晶體硅(單晶或多晶)太陽電池具有更大的優(yōu)勢，是尋求突破的方向：一是實現(xiàn)薄膜化后，可極大地節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料，制造晶硅電池需要硅片厚度達(dá)到200μm，而制造薄膜電池其厚度只有幾μm;二是薄膜電池的材料制備和電池同時形成，因此節(jié)省了許多工序，通常生產(chǎn)晶硅電池需要4個車間，而生產(chǎn)薄膜電池1個車間就能完成;三是薄膜太陽能電池采用低溫工藝技術(shù)，不僅有利于節(jié)能降耗，而且便于采用廉價襯底。隨著薄膜電池裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化，未來薄膜電池成本能夠做到2元/W，不到晶硅電池成本的三分之一。

關(guān)于薄膜太陽能光電轉(zhuǎn)化率問題，晶硅電池與薄膜電池理論值均為30%，盡管目前薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率普遍只相當(dāng)于晶硅電池轉(zhuǎn)化率的一半，但一些公司的新產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到16%。日前，德國美因茨大學(xué)發(fā)表公報，其太陽能薄膜電池實驗室光電轉(zhuǎn)化率突破20%的紀(jì)錄。美國斯坦福大學(xué)也已研制出首個全碳薄膜太陽能電池，這就突破了傳統(tǒng)薄膜太陽能電池對導(dǎo)電金屬和銦錫氧化物的依賴，以及因大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致的價格飆漲。地球碳儲量豐富，成本低廉，所以在不遠(yuǎn)的將來，薄膜太陽能電池發(fā)電成本將與火電乃至水電相競爭。

薄膜太陽能占地面積大，在實際應(yīng)用中是不可克服的制約因素，但有兩個領(lǐng)域通過政策引導(dǎo)可以大規(guī)模應(yīng)用。一是薄膜光伏太陽能大棚應(yīng)用，植物進(jìn)行光合作用主要利用波長為610nm~720nm(波峰為660nm)紅橙光，薄膜太陽能電池最大吸收波峰在400~600nm，在理論上薄膜太陽能電池的最大吸收波峰與植物光合作用的吸收波峰并不沖突，而且薄膜太陽能電池可以吸收會灼傷植物的紫外線。因此可以將薄膜太陽能發(fā)電與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，一個占地一畝的大棚，一年理論上發(fā)電會達(dá)到6萬kWh。

目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超過300多萬公頃，其中高檔玻璃溫室、塑料大棚的建筑面積達(dá)到200多萬公頃。如果200萬公頃設(shè)施農(nóng)業(yè)全部改造成光伏大棚，年發(fā)電量將達(dá)到18000億kWh，相當(dāng)于2012年全國用電量(49591億kWh)的36%。二是光伏建筑一體化發(fā)展。BIPV技術(shù)是將太陽能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，生態(tài)城市、綠色城市、低碳城市，無論哪個概念都離不開BIPV的大規(guī)模應(yīng)用。另外，在城市內(nèi)太陽能發(fā)電是最靠近負(fù)荷中心的，這大大提升了光伏發(fā)電的實際使用效率，加之建筑一體化的特性，實際投資費用大大低于在野外的光伏電站，在投資和能效比上具有巨大優(yōu)勢，是未來城市發(fā)展的必然選擇。