新技术将如何促进太阳能发电?
这篇文章最初出现在耶鲁e360．
尽管最近取得了一些进展，但太阳能目前仍占世界能源结构的1%左右。然而，国际能源署(International Energy Agency)表示，大部分由分散的“屋顶”光伏系统产生的太阳能，很可能成为世界上最大的太阳能一个最大的电力来源到本世纪中叶。
那么我们如何从这里到那里呢?
根据科学家和工程师的说法，答案在于新一代的超高效、低成本的太阳能收割机，它将填补最近大量廉价硅板的空缺。最近，新的设计和新型太阳能材料似乎每周都在创造新的效率记录。尽管太阳能的研究和开发仍远远低于科学家和工程师所要求的水平，但创新者正在创造新一代材料，这种材料能够比传统的硅光伏电池更有效地收集太阳能，并取得稳步进展。
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SunShot视觉研究到2030年，太阳能将为美国提供14%的电力。
有一项新技术尤其引起了科学家们异乎寻常的热情——钙钛矿。钙钛矿是一种具有盐状晶体结构的矿物质，很容易制造，由铅和氨等廉价原料制成，在将阳光转化为电能方面正变得越来越高效。
美国能源部化学与材料科学中心主任Jao van de Lagemaat说:“世界各地的每个人都对此非常兴奋。国家可再生能源实验室“由这种材料制成的太阳能电池的效率上升得比我们以前见过的任何东西都要快。我还不知道到哪儿为止。”
钙钛矿于2009年首次用于太阳能电池，直到2012年才开始引起广泛的研究兴趣。从那时起，这种材料的质量急剧上升，它的光能转化数据也大幅上升。
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。”
事实上，这一数字仍在攀升。最新的确认效率超过20%，非官方报告为24%。
钙钛矿最大的吸引力之一是它是由低温液体溶液生产的，与硅晶体和其他太阳能电池材料的高热能源密集型方法不同。更重要的是，它可以被“涂”到薄的，灵活的基材上，如塑料，这一过程范·德·拉格玛特将其比作制造摄影胶片。他说，轻型、可弯曲和廉价的钙钛矿太阳能电池板的应用是巨大的。
然而，钙钛矿有一个主要缺点:晶体在潮湿的条件下会分解。对于安装在户外的设备来说，这是个大问题。
麦吉和其他人正在寻找可能创造出更稳定化合物的替代元素。此外，他还将钙钛矿层层在硅上，努力构建混合的“串联电池”，以提高效率，成本低。尽管这种材料有很大的可能性，他估计至少需要十年才能解决钙钛矿的问题，如果它能做到的话。
“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是加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系的教授，他正在开发具有多层半导体层的高性能电池。每一种都经过“调整”以吸收不同波长的光。通过将太阳光谱分解成不同的颜色，这些“多结”电池最大限度地获取每种颜色的能量，甚至从不可见的红外频率中获取能量。
1979年，亚布洛诺维奇作为埃克森美孚的一名研究员开始研究光伏电池，他说硅是“过时的技术”。他说，像砷化镓这样的新材料“吸收能力可能是硅的一千倍”。“而且它们可能非常薄。”
新材料和新设计有可能打破硅能转换成电流的光谱部分的基本极限——所谓的“带隙”。能量低于带隙的光子不会被吸收，而能量高于带隙的光子则会转化为热量。与硅不同的是，这种新化合物的化学性质可以改变，以调整带隙并利用最大数量的光子。
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%。
Yablonovitch说:“超过30秒后，我们面临的障碍是找到合适的方法将太阳光谱分解成碎片，这方面的研究正在非常积极地进行。”“一段时间以来，我一直告诉人们，‘如果你在做研究，效率应该在30%到50%之间。’”
然而，材料是昂贵的，添加层是复杂和昂贵的。多结电池是如此昂贵，以至于目前的使用仅限于卫星等特殊应用。但亚布洛维奇确信，如果产量扩大，价格就会下降。他以前见过这种情况。他表示:“当我35年前开始(研究)太阳能时……电池板的价格是现在的100倍。”
另一种新的设计涉及到量子点，这是一种纳米大小的晶体，能够限制带电电子，并帮助它们撞击其他电子。这个过程被称为“多激子产生”，有可能恢复三分之一的光能，这些光能通常以热能的形式丢失。
在洛斯阿拉莫斯国家实验室合作开发量子点的NREL资深科学家马修·比尔德说:“那三分之一的能量是你要扔掉的一大块。高级太阳光物理中心．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。
就连硅也在获取太阳更大的一部分。总部位于加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。
SunPower首席执行官汤姆·沃纳(Tom Werner)说，虽然新的太阳能电池板最初的成本将高于当前的型号，但增加的产量最终将使电力更便宜。他表示:“我们预计，随着时间的推移，这将对定价产生显著的下行影响。”
这些只是在一个充满了大的新想法的领域中日益高效的光电技术的一些前景，例如再利用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。该机构的报告平均而言，发达国家政府在国防研究上的花费至少是能源研究的六倍。研究人员说，有前景的技术也因缺乏商业利益而步履蹒跚。
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。”
加州大学伯克利分校能源与资源教授丹尼尔·卡门(Daniel Kammen)说，杂乱无章的能源政策是阻碍美国太阳能发展的另一个障碍。
“很少有州有高质量的太阳能项目，”他说。“欧洲最成功的项目已经找到了在家庭层面或小企业层面鼓励使用太阳能的方法。”例如，所谓的上网电价等激励措施允许屋顶系统的所有者以优惠的价格将电力卖回给电网。加州、新泽西和纽约也有一些项目，卡门说，“但只是在这里和那里。”
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、突破性的技术，卡门也预计太阳能将继续增长。他的研究表明，到2050年，它将为美国西部等地区提供三分之一的能源。“这意味着太阳能的规模将超过今天的天然气，”他说。“所以这是一个非常大的变化。”
尽管如此，“重要的是保持对部署和创新的关注，”Kammen说。“我们确实需要看到持续的创新。”
