太阳能电池板的问题

太阳能产业 面对潜力 阿喀琉斯之踵：对白银的依赖。作为一种昂贵且昂贵的金属，白银在几乎所有类型的太阳能电池板中都发挥着至关重要的作用。随着全球太阳能产量超过太瓦级，这种增长的可持续性现在受到白银稀缺和昂贵的威胁。铜基面板存在一种可能的替代方案，它打破了世界效率记录并显示出巨大的潜力。然而，制造商对于用铜替代银犹豫不决。太阳能产业能否转型升级？克服挑战铜电阻器带来的问题并为我们提供更实惠、更高效的太阳能电池板？让我们探索这个复杂而错综复杂的旅程。

丝网印刷

自 20 世纪 70 年代以来，丝网印刷一直是制造硅太阳能电池的传统方法，约占产量的 85% 至 90%。类似于在 T 恤上印上徽标，该方法需要在硅晶圆背面放置一个屏幕。机器在屏幕上沉积一层银浆，然后用刮刀将其压过。晶圆经过干燥、烧制和翻转，在另一面重复该过程。虽然具有成本效益，但挑战在于所使用的材料。白银约占制造成本的 10%，使用量约占世界开采白银的 15%。随着太阳能的进步，全球对白银的需求激增。各种不断发展的技术都在争夺白银，包括 5G 基础设施、电动汽车和其他使市场饱和的消费电子产品。科学家早在 2013 年就提出了担忧，指出太阳能和白银需求的快速增长将导致太阳能成本大幅上升。

尽管太阳能越来越便宜,白银价格正在迅速飙升。白银协会透露，2021年全球白银需求创2015年以来新高，价格同比飙升22%，达到每金衡盎司25.14美元的九年来新高。相比之下，2021 年铜价约为每金衡盎司 0.29 美元。虽然有些人可能会考虑白银回收，但 2022 年 12 月的一项研究表明，由于白银不足以满足退休需求，这种做法尚不可行。太阳能电池板的寿命既有积极的一面，也有消极的一面。此外，回收过程是劳动密集型的，需要拆卸面板并进行化学处理以去除银。虽然从长远来看回收是有益的，但在未来几十年内可能不可行。

现在，让我们考虑一下铜——一种具有相当电导率但成本显着降低的替代品。两条关键的转换路径脱颖而出：1）在丝网印刷中用铜浆代替银浆，2）在丝网印刷上采用嵌入式接触式太阳能电池设计。转向铜带来的好处包括实现创世界纪录的太阳能电池效率以及利用更便宜、更丰富的材料。近年来，一些公司在澳大利亚先驱 Stuart Wenham 和 Martin Green 的启发下取得了显着的进步。他们 1985 年的埋入式接触太阳能电池专利标志着一项重大改进。为了掌握这些增强功能，我们概述一些关键的太阳能电池板结构。面板正面的网格状图案是顶部接触点，通常采用银色。这些金属线收集电池产生的电力。较细的水平线（称为“手指”）将电流传输到较粗的垂直线（称为“母线”）。理想情况下，光伏指紧紧地挤压在一起并尽可能窄。

遗憾的是，制造细手指需要大量成本。因此，丝网印刷中较宽的手指有一个显着的缺点：由于掩蔽损失，功率输出下降 10% 至 15%。嵌入式触点提供了一种优雅的解决方案，手指比宽度更深。硅上的激光切割凹槽被铜填充，从而使手指中的金属更多，而阻碍表面的金属更少。这项创新将遮阳损失降低至 2% 至 3%。最终，嵌入式接触式太阳能电池板的效率比丝网印刷太阳能电池板高出 25%。

到 1991 年，Wenham 和 Green 的嵌入式触点实验电池达到了 24.7% 的创纪录效率，商业电池达到了 20% 的效率。然而，它们的广泛采用面临着挑战。 “太阳王”施振荣于2001年创立了尚德电力。尽管2012年铜金属化电池效率达到20.3%的世界纪录，但尚德在次年3月面临破产。这种命运并非独一无二。 BP Solar 在其 Saturn 组件中使用激光槽埋式接触电池，也于 2011 年面临破产。问题仍然存在：如果铜如此有前景，为什么这些公司会破产？

造成这一挑战的一个重要因素是成本。银色太阳能电池板的制造成本效益更高。虽然铜是比银更便宜的原材料，但它对太阳能电池板的附着力差一直是科学家和从业者面临的一个长期问题。太阳能电池板的设计使用寿命为 25 年或更长时间，可承受各种气候条件。然而，铜很容易剥落，可能会损害镀铜电池的可靠性。这种忧虑解释了制造商在转型过程中犹豫不决的原因。性能是另一个关键问题。尽管铜电池中较窄的指状物可以通过减少阴影来提高效率，但铜扩散到底层硅中的风险构成了威胁。铜扩散可以将半导体硅转变为导体，导致面板内短路。这会带来通常与成熟产品无关的额外风险。建立有效的扩散壁垒很复杂，并且可能会产生额外的生产成本。此外，人们还担心铜氧化会如何限制电导率。

解决工程中的这些挑战需要在制造过程中纳入额外的步骤并分配更多的资源。这种复杂性是一个主要障碍，导致铜的采用有限以及英国石油公司和尚德电力面临的困境。虽然 BP Solar 成功地将其 Saturn 面板商业化，但停止生产的决定源于与成本较低的丝网印刷银的竞争。随着技术的进步，丝网印刷的银变得更加便宜。尽管 2014 年的一项研究表明 BP 嵌入式触点设计具有耐用性，但经济因素影响了生产选择。

问题出现了：铜能否克服这些挑战，特别是考虑到当前风险加大？施振荣表示乐观。尚德破产两年后，他带头投资了新成立的初创公司 SunDrive。该公司总部位于悉尼，专注于铜板。主管列侬决心加快该项目的进程，因此放弃了博士课程，将时间投入到车库实验中。经过多次尝试，他设计了一种将铜附着到太阳能电池上的方法。与室友共同创立SunDrive，并于2015年申请了专利。到2022年9月，该公司的电池板效率达到26.41%，打破了商业硅太阳能电池的世界纪录。

如果该公司实现大规模生产，利用废白银的前景就变得可行，可能会导致消费价格大幅下降。历史是否会重演，将铜抛向场外，仍不确定。答案可能并不遥远，因为该公司计划在 2023 年建立一条试点生产线。铜基面板在解决氧化和扩散等问题方面所面临的历史挑战表明，它可能不是一个通用的解决方案。白银价格飙升的迫在眉睫的威胁可能会迫使制造商采取果断行动。你有什么想法？还在考虑吗？铜是明显的解决方案吗？有哪些可持续的太阳能替代品可用？