新技术将如何促进太阳能发电?
本文最初出现在耶鲁E360。
尽管最近取得了一些进展，但太阳能目前只占世界能源结构的1%左右。然而，国际能源机构表示，太阳能(大部分由分散的“屋顶”光伏系统产生)很有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，如何才能让从这里到那里？
科学家和工程师们认为，答案在于新一代高效、低成本的太阳能收割机，它们将填补近来大量廉价硅电池板所留下的缺口。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还远远没有达到科学家和工程师们所要求的水平，但创新者们在创造新一代材料方面取得了稳步进展，这种材料可以比传统的硅光伏电池更有效地获取太阳能。
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，比如制造出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量。
提高太阳能电池的效率是提高太阳在全球能源供应中的作用的基础。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晶体硅电池，平均只能将大约16%的阳光转化为电能。其余大部分是碲化镉(Cd-Te)或硒化铜-铟-硒化镓(CIGS)薄膜，效率在12%到15%之间。因此，从屋顶电池板上榨取更多的汁水——科学家说，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是惊人的，由于价格下跌和需求攀升，光伏发电成本与煤炭甚至天然气等能源持平或低于同一水平。这一变化如此重大，以至于人们对太阳能在未来清洁能源中的作用寄予厚望;国际能源署最近将2050年太阳能发电的目标提高了近50%。美国能源部的SunShot视觉研究预计到2030年，太阳能将为美国提供14%的电力。
尤其是一个新的技术有科学家清浊异乎寻常的热情 - 钙钛矿，一类盐状的晶体结构，它很容易建立，从便宜的成分，如铅和氨制成，且越来越高效的矿物质，在太阳光转换到电力。
“世界各地的每个人都非常兴奋这一点，”饶范·德·Lagemaat，在美国能源部的化学和材料科学中心主任能源公司说，国家可再生能源实验室在黄金，科罗拉多州“。由这种材料制成的太阳能电池的效率已经比什么都重要，我们已经看到过攀登更加迅速。...我不知道它在哪里停止呢。”
在太阳能电池首次使用在2009年，只有钙钛矿开始绘制广泛的研究兴趣在2012年自那以后，该材料的质量已大幅上升，和其光成能量的数字已经启动。
斯坦福大学材料科学与工程教授Michael McGehee说:“仅仅几年时间，它就从没有被用于太阳能电池，变成了15%效率的太阳能电池。”“通常情况下，人们要用一种新材料制造效率为15%的太阳能电池需要10到20年的时间。”
事实上，这一数字仍在攀升。最新的确认效率超过20％，其中的24％非官方报告。
钙钛矿最吸引人的地方之一是，它是由低温液体溶液产生的，与生长硅晶体和其他太阳能电池材料的高能耗、高热方法不同。更重要的是，它可以被“涂”在薄而灵活的基质上，比如塑料，van de Lagemaat把这个过程比作制造摄影胶片。他说，轻质、可弯曲、廉价的钙钛矿太阳能电池板的应用是巨大的。
钙钛矿具有一个主要的缺点，但是：晶体打破在潮湿的条件。这东西安装在户外的一个大问题。
McGehee和其他人正在寻找可能产生更稳定化合物的替代元素。此外，他正在将钙钛矿分层到硅上，试图以极低的额外成本制造出效率极高的混合“串联电池”。尽管这种材料有很大的可能性，但他估计，如果能解决钙钛矿的问题，至少需要10年时间。
“这是一项长期、高风险的研究，”McGehee说。“这可能行得通，也可能行不通。”
埃利·雅布罗诺维奇，在电气工程和加州大学伯克利分校计算机科学系教授，是开发高性能电池与多个半导体层。每一个被“调谐”以吸收不同波长的光。通过分裂太阳光谱成单独的颜色，这些“多结”细胞最大化收获每个 - 即使来自非可见光，红外光频率收获的能量。
Yablonovitch，谁开始了光伏电池作为埃克森一名研究人员在1979年说，硅“过时的技术。”新材料，如砷化镓“吸收也许一千倍更强烈，除硅，”他说。“他们可能是特别薄。”
新的材料和设计有可能打破硅能转换成电流的光谱的基本限制——所谓的“带隙”。能量低于带隙的光子不会被吸收，而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通过改变来调整带隙，并利用最大数量的光子。
Yablonovitch说，双结砷化镓电池已经达到了大约30%的效率。他预计，再加上额外的保护层，这一比例最终将达到50%。
“除了30，这一关是找分裂太阳光谱成片的正确方法，以及正在非常积极地研究，” Yablonovitch说。“我已经告诉人们一段时间了，“如果你正在做的研究，应该是30％和50％之间的效率。”
的材料是昂贵的，但是，并添加层是复杂的和昂贵的。多结电池是如此的昂贵，就目前而言，使用仅限于专业应用，如卫星。但Yablonovitch相信，如果生产按比例放大，价格会下跌。他看到过这一点。“当我35年前开始[有] ...太阳能面板的价格分别为100倍比他们的今天，”他说。
另一个新的设计涉及到的量子点 - 能够限制激发的电子和帮助他们敲别人宽松纳米级晶体。的过程中，被称为“多态激子的产生，”潜在地可以恢复三分之一的光能量通常作为热量损失。
“能源的三分之一 - 这就是你把自己的一大块，”马修胡子，一个国家再生能源实验室高级科学家合作进行的洛斯阿拉莫斯国家实验室的开发量子点说中心高级太阳能光物理。他说，量子点可以以低得多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“另一个层次的化学”，而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令人沮丧的8.6%。“但令人鼓舞的是，已经取得了进展，”比尔德说。他说:“2009年开始的时候是2%或3%，现在已经接近9%。他说，理论上，单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。
即使硅达到一个更大的片的太阳。总部位于加州的屋顶板制造商太阳能公司该公司刚刚宣布，将在2017年开始为家用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高效率低一点。效率的提高来自于配方的改变，提高了材料的携带电荷的能力。设计调整也允许更多的光线进入电池前部。
虽然新的面板最初将耗资超过目前的模式，增加的产量将使用电到底便宜，SunPower公司首席执行官汤姆·沃纳说。“我们希望它有定价随着时间的推移有意义的向下的冲击，”他说。
这些只是对场中日益高效的光伏大的新思路云集，比如一些前景再利用蓝光光盘吸收光或“太阳能涂料”嵌有能吸收光线的微小粒子，能把墙壁变成光伏板。
IEA表示，总体而言，各国对清洁能源研发的重视程度较低，阻碍了太阳能的创新。该机构报告平均而言，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，有前途的技术也因为缺乏商业利益而步履蹒跚。
比尔德在谈到量子点时表示:“只有当企业也将其视为一种收益，并看到其未来并开始投资，它才能成为一种产品。”“仅仅是我们小小的研究努力不会让它成为一种产品。”
漫无目的的能源政策是另一个障碍在美国太阳能进步，加州大学伯克利分校的能源和资源教授丹尼尔·卡门说。
“只有极少数国家拥有高品质的太阳能计划，”他说。“在欧洲最成功的方案已经找到了在家庭层面还是在小企业层面激励太阳能。”激励措施，比如所谓的上网电价政策，例如，允许屋顶系统业主出售电力回电网优惠利率。加利福尼亚州，纽约州和纽约州有一定的程序，卡门说，“但在这里只是有。”
在美国，一个国家税收抵免家庭太阳能和其他可再生能源安装将于2016年底到期。如果即将上任的国会不续期，这也可能对太阳能的发展造成打击。
然而，科曼预计，即使没有突破性的新技术，太阳能发电也将继续增长。根据他的研究，到2050年，太阳能将占美国西部等地区总发电量的三分之一。他说:“这意味着太阳能将比今天的天然气更大。”“所以这是一个非常大的变化。”
尽管如此，“重要的是要同时关注部署和创新，”卡门说。“我们确实需要看到持续的创新。”
