新技术将如何促进太阳能发电?
本文最初出现在耶鲁E360．
尽管最近进展，但今天的太阳能账户约占世界能源组合的1％。然而，国际能源机构表示，太阳能，大部分由分散的“屋顶”光伏系统，可能成为世界最大的电力来源到本世纪中叶。
那么我们如何从这里到达那里？
根据科学家和工程师的说法，答案介绍了新一代超高效，低成本的阳光收割机，这些阳光收割机占据最近的廉价硅板叶离开的地方。新的设计和新颖的太阳能材料最近一直在每周似乎设定新的效率记录。虽然太阳能的研究和发展仍然缺乏科学家和工程师所说的，但创新者正在稳步推进，在创造一个新一代的材料方面，这些材料可以比传统的硅光伏电池更有效地收获太阳的能量。
其中最有前途的技术多结细胞层的光能采集器,每个收集能量从一个单独的片太阳光谱,超高效半导体材料如钙钛矿和目前,细胞由微小但强大的solar-absorbing“量子点”。技术上的障碍仍然存在，比如制造能够承受这些元素的新材料。尽管如此，研究人员说，目前正在进行的努力可能会在10年或20年内开始大幅增加太阳能发电。
提高太阳能电池的效率对于提高太阳能在全球能源供应中的地位至关重要。目前的商用光伏电池还有很大的改进空间。目前市场上绝大多数的太阳能电池板使用的是晶体硅电池，平均只能将大约16%的阳光转化为电能。其余的大部分是碲化镉(Cd-Te)或铜-铟-镓-硒化(CIGS)薄膜，其效率在12%到15%之间。因此，从屋顶太阳能板上榨取更多的电能——科学家们说，一些新方法可以达到50%的效率——将使太阳能越来越便宜。
太阳能在过去十年的发展令人震惊，因为价格的下降和需求的上升使得光伏发电成本与煤炭甚至天然气等能源持平或更低。这一变化如此之大，提高了人们对太阳能在未来清洁能源中所扮演角色的期望;国际能源署最近将其2050年太阳能发电的目标提高了近50%。美国能源部的遮阳场视觉研究到2030年，太阳能将为美国提供14%的电力。
一种新技术，特别是科学家们发出了异常的热情 - Perovskites，一类具有易于建造的盐的晶体结构的矿物质是由铅和氨的廉价成分制成的，并且在转换阳光下变得越来越有效电。
“世界各地的每个人都非常兴奋，”美国能源部化学与材料科学中心主任Jao Van de Lagemaat说国家可再生能源实验室在Golden，Colo。“由这种材料制成的太阳能电池的效率比我们以前见过的其他任何东西更快地攀升。......我不知道它尚未停止。“
在2009年的太阳能电池中首次使用，佩罗夫斯基特仅在2012年开始绘制广泛的研究兴趣。从那时起，材料的质量飙升，其光进入能源数据已取得起来。
斯坦福大学(Stanford University)材料科学与工程教授迈克尔·麦吉(Michael McGehee)说:“在短短几年时间里，它从没有被用于太阳能电池，变成了使太阳能电池的效率提高15%。”“通常情况下，人们需要10到20年才能用一种新材料制造出效率为15%的太阳能电池。”
实际上，数字仍在攀爬。最新的确认效率超过20％，非官方报告为24％。
佩罗夫斯基特的大景点之一是它是由低温液体解决方案制造的，与用于生长硅晶体和其他太阳能电池材料的能量密集型，高热方法相比。更重要的是，它可以是“涂成”薄，柔性基板，如塑料，一个过程Van de Lagemaat比作着制造照相胶片。他说，光，可弯曲和廉价的普罗夫斯基特太阳能电池板的应用是巨大的。
佩洛夫斯基特有一个主要缺点，但是：晶体在潮湿的条件下分解。这对户外安装的东西来说是一个很大的问题。
McGehee和其他人正在寻找可能产生更稳定的化合物的替代元素。此外，他正在将佩罗夫斯普罗斯分层到硅上，以努力建立混合的“串联电池”，以额外的成本略高。虽然材料有很大的可能性，但他估计它至少是佩洛夫斯的问题至少十年来，如果可以完全完成。
“这是一项长期、高风险的研究，”麦吉说。“这可能行得通，也可能行不通。”
Eli Yablonovitch是加州大学伯克利大学电气工程和计算机科学系教授的，正在开发具有多个半导体层的高性能细胞。每个都是“调谐”以吸收不同的光波长。通过将太阳光谱分成单独的颜色，这些“多结”电池可以从不可见的红外频率最大化每个甚至收集能量的收获。
在1979年开始研究光伏电池作为埃克森的研究员的Yablonovitch表示，硅是“过时的技术”。他说，镓 - 砷化物如镓 - 砷化物“吸收了一千倍，”他说。“他们可以特别薄。”
新材料和设计可能会打破基本限制 - 所谓的“带隙” - 硅可以转换为电流的光谱的一部分。带有能量低于带隙的光子不会被吸收，而那些上面的那些基本上变成了热量。与硅不同，可以改变新化合物的化学以调节带隙并线束最大数量的光子。
Yablonovitch说，两个结型砷化镓电池已经达到了大约30%的效率。加上额外的层数，他预计最终会达到50%。
“超过30个，障碍是找到将太阳光谱分成碎片的正确方法，这是非常积极地研究，”Yablonovitch说。“我一直在告诉人们一段时间，”如果你正在进行研究，它应该在30％到50％之间。“
然而，材料是昂贵的，并且添加层复杂且昂贵。现在，多结电池如此昂贵，目前，使用仅限于诸如卫星等专业应用。但是，Yablonovitch相信，如果生产被缩放，价格会下降。他以前看过它。“当我35年前开始[用]太阳能时......面板的价格比今天的价格大100倍，”他说。
另一种新设计涉及能够限制通电电子的量子点 - 纳米尺寸的晶体，并帮助他们敲打其他曲线。称为“多个激子生成”的过程可能可以恢复通常丢失的光能的三分之一。
“这三分之一的能量 - 这是一个巨大的块，你正在扔掉，”马修·胡德斯（Matthew Beard）表示，在Los Alamos国家实验室开发量子点高级太阳能光学学术中心．他说，量子点可以以更低的成本提高多结电池的效率。
然而，将这些点组装成一个细胞，需要“完全不同的化学水平”，科学家们仍在研究如何做到这一点。目前的最高效率是相当低的8.6%。“但令人鼓舞的是，已经取得了进展，”比尔德说。“2009年的时候，我们的市场份额只有2%到3%，现在已经接近9%了。”他说，从理论上讲，只有一个量子点层的太阳能电池可以将高达45%的太阳能转化为电能。
即使是硅也达到了更大的阳光。加利福尼亚州的屋顶面板制造商太阳能公司该公司刚刚宣布，将于2017年开始为家庭太阳能市场大规模生产效率为25%的硅电池，仅比该元素的实际最大效率低一个百分点。效率的提高是通过改变配方来提高材料携带电荷的能力。设计调整也允许更多的光线进入电池的前面。
虽然新面板最初将花费超过当前模型，但由于汤姆·首席执行官Tom Werner表示，较高的产出将使电力更便宜。“我们预计它会随着时间的推移对定价有意义的向下影响，”他说。
这些只是历史上越来越高效的光伏在镶嵌着大型新想法的领域的一些前景，如重新播放蓝光光盘变成光吸收器或“太阳漆”嵌入微小的光收集粒子，将墙壁变成光伏板。
国际能源署称，总体而言，太阳能创新受到了一些国家对清洁能源研发的不重视的阻碍。原子能机构报告平均而言，发达国家的各国政府在国防研究中至少花费了六倍，而不是能源研究。研究人员说，有希望的技术也缺乏商业利益。
比尔德在谈到他的量子点时说:“只有企业也把它视为一种好处，并看到它的未来，并开始投资，它才能成为一种产品。”“仅仅是我们小小的研究努力，是无法让它成为一种产品的。”
UC Berkeley Energy and Resource Daniel Kammb教授说，Scattershot能源政策是美国太阳能进步的另一个障碍。
“很少有国家有高质量的太阳能计划，”他说。“欧洲最成功的课程已经找到了在家庭层面或小型商业水平处激励太阳能的方法。”例如，所谓的饲料关税等激励措施允许屋顶系统所有者以优惠的价格将电力销售回电网。加州，新泽西州和纽约有一些课程，说：“但它在这里和那里。”
在美国，指国民税收抵免家用太阳能和其他可再生能源装置将于2016年底到期。如果即将上任的国会不延长该法案，这也可能对太阳能发展造成打击。
然而，即使没有新的，突破性技术，太阳能将继续上升的肯纳项目。他的研究将其追踪，提供三分之一的所有能源，如2050年到2050年。“这意味着太阳能大于天然气，今天是天然气，”他说。“那么这是一个非常大的变化。”
尽管如此，“重要的是要保持关注部署和创新，”Kammb说。“我们确实需要看到持续的创新。”
