在当今追求可持续能源的时代，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛的关注。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键设备，其技术的发展对于太阳能的有效利用至关重要。本文将详细介绍薄膜太阳能电池的相关知识，包括其定义、兴起过程、特性以及实际应用等。
太阳能电池板是获取太阳能的重要工具，我们常见的屋顶矩形太阳能板、田野和草原上成队列排列的太阳能板，大多是传统的硅太阳能板。然而，传统的硅太阳能板（长 1.7 米，宽 0.8 米，高 5 厘米）可能即将成为历史。一种新的技术 —— 薄膜光电转换电池，已经能够高效、廉价地将太阳能转变为电能。到 2010 年，薄膜太阳能电池在产生的电能已达到 3700 兆瓦。2010 年之后，薄膜太阳能电池广泛进入商业大楼和家居房屋，产电量进一步提高，从加州到肯尼亚再到中国，都能看到其应用的身影。除了灵活性之外，薄膜太阳能电池与传统太阳能电池相比，还具有诸多优缺点，其高效的原因以及是否能成为煤和核能的替代品等问题，也值得我们深入探讨。
如果你使用过太阳能计算器，就会对基于薄膜技术的太阳能电池有所了解。计算器中的太阳能电池体积小巧、厚度很薄，大多数只有 2.5 厘米长，0.6 厘米宽。薄膜太阳能电池正是因其厚度特征而得名。硅晶太阳能电池的吸光层约有 350 微米厚，而薄膜太阳能电池的吸光层仅 1 微米厚，1 微米是 1 米的百万分之一。
薄膜太阳能电池的生产者通过减少吸光材料的层数，如基体上的半导体、涂层玻璃等，使得电池更加轻质、耐用和简单。根据所用半导体的类型，薄膜太阳能电池主要分为非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒三类。非晶硅是传统硅晶太阳能电池的改进版，广泛应用于太阳能电子器件中，但也存在一些缺点。非晶硅太阳能电池的半导体材料硅在市场上供应不足，且其效率不够高，导致这种电池逐渐没落。虽然更薄的非晶硅电池在一定程度上克服了这些问题，但厚度减小后，电池吸收光能的效率更低。因此，硅的特性使得非晶硅电池适用于小尺寸器件，如计算器，而不适用于大尺寸器件，如太阳能供电的建筑物。
目前，在太阳能电池行业中，硅晶占据主导地位，硅晶由精炼硅制成，这一技术作为太阳能的基本技术已经存在了 50 多年。自 1954 年块硅太阳能电池发明以来，其数量迅速增加，目前 12% - 18% 的太阳辐射通过硅晶太阳能电池转化为电能。然而，近年来薄膜光电池技术取得了很多突破。2005 年，晶体硅在太阳能光电池市场的份额超过 95%，但从那时起，薄膜光电池材料的市场份额逐年稳步上升，如今已占到 25%。数以百计的从事薄膜光电池技术的公司已进入研发和生产的新阶段。
大面积以及层叠状的薄膜光电池产品从上世纪 90 年代开始商业化，目前其能量转换效率已达到 6% - 11%。能量转换效率越高，产生一定电量所需的面积和辅助设备就越少，这是非常划算的。虽然目前薄膜太阳能电池的转换效率与晶体硅仍有差距，但在其他方面具有巨大优势，重要的是其生产成本低。许多薄膜太阳能电池板由非晶硅制成，而制备硅晶太阳能电池板需要使用高等硅。此外，薄膜太阳能电池还可以由其他半导体材料制成，如铜铟镓硒（CIGS）材料和碲化镉材料。
在可再生能源领域，一个关键问题是规模化的太阳能光电池技术何时能在价格上与化石燃料发电竞争或等价。事实上，规模化的薄膜光电池技术在成本上已经低于核电，只是目前比烧煤发电的成本略高。
位于亚利桑那州坦佩的太阳能公司是薄膜太阳能电池领域的佼佼者。2009 年，该公司通过碲化镉电池生产了 1 千兆瓦的电能，相当于 25 万个大型家庭薄膜太阳能光电转化系统的生产总量。2009 年，太阳能公司实现了平均 10.9% 的能量转换效率，其产品成为薄膜产品中能量转换效率的产品。该公司还解决了生产中使用的重金属镉的问题，通过设计循环系统避免镉随废弃物排放。
在过去几年中，太阳能公司大幅降低了生产成本，仅为硅晶材料或其他薄膜太阳能产品的一半。其降低成本的措施包括缩短生产时间和规模化设备的安装时间。与同行业其他公司相比，太阳能公司的规模化设备安装费用降低了 10% - 15%，产量比生产硅晶的公司高出 10% 左右（在相同设计效率下）。未来五年，该公司将致力于将生产效率提高 15%，并进一步降低生产成本。如果能实现这些目标，规模化的薄膜太阳能装置发电将与化石燃料发电一样廉价。
未来，使用更多成规模的薄膜太阳能电池板是正确的选择，这意味着更多消费者能够购买到清洁能源。但能源生产的控制权仍将掌握在少数大公司和市政单位手中。此外，将能量从光照条件好的区域输送到光照条件差的地区，需要建设昂贵的电能输送网络，同时储存多余电能的基础设施也必不可少。能量集中生产的替代方案是分散生产能量，例如在每一栋房子和停车场安装太阳能板。美国目前的一些政策已经支持这一做法。
由于薄膜太阳能板很轻便，将其融入建筑物中是可行的，如用于制造屋顶。建筑物集成太阳能光电板是一个新的创意，建筑师在上世纪 80 年代就开始用太阳能光电材料制造屋顶，但目前用于制造屋顶的玻璃材料价格昂贵且易碎，不是理想的材料。十多年前，层叠状的非晶硅薄膜太阳能材料凸显了使用薄膜太阳能材料制造屋顶的优势。2001 年，太阳能集成技术公司开发了一种将层叠状太阳能材料改为膜状材料并用于商业建筑的新工艺。到 2009 年，多家大公司开始进军这一领域。
建筑集成光电材料还有很多其他应用可能性，如玻璃光电池装置可替代常规建筑材料用于制造雨篷和房屋正面，也有公司生产用于制造窗户的薄膜光电池材料。此外，发展廉价的太阳能铁路侧线也具有很大潜力。每一项新技术的出现都会带来很多实际应用，未来人们可能会疑惑为什么现在还通过燃烧化石燃料发电，而我们现在就可以通过薄膜光电材料将太阳光转化为电能。
