未来的印刷太阳能电池，会像印钞票一样吗？|Nature专家评论
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。
Rueben Wu
原文以Print flexible solar cells为标题
发布在2016年11月23日的《自然》评论版块
原文作者：程一兵（武汉理工大学与莫纳什大学教授）、Alex Pascoe（莫纳什大学研究员）、彭勇（武汉理工大学教授）和黄福志（武汉理工大学教授）
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。如果光伏设备能像报纸或钞票一样用印刷设备量产，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临着多重阻碍。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。研究者和企业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。
太阳能行业迫切需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。
要均匀印刷数平米仅有纳米到微米厚的材料层——而且不能产生气孔——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需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。对于光伏设备而言，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）。但如果封装不当，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。
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，硅基光伏产业在中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。
如果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增长的可再生能源需求方面扮演日益重要的角色。ⓝ
Nature|doi:10.1038/539488a
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