双碳目标大福利来了：太阳能光伏产品技术的黎明！

碳中和背景下，你是不是一直在寻找跟太阳能光伏相关的商机？目前国内创新产品还不多，你可以跟着我们的微信平台，了解一些世界范围内的前沿技术！
前两天，住建部发布《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，其中明确要求新建建筑要上太阳能系统，我们在此提供各种创新的太阳能技术，供大家借鉴学习！

伊万尼斯·帕帕康斯坦丁诺伦敦大学学院提供了一个很好的视角来看待能源浪费的事情。他指着大学医院：那是一个高高的长方形街区，上面装饰着装饰性绿色玻璃条。它们看起来很现代，但毫无用处，因为他们甚至不让光线进来。

“他们用这些绿色的表面做什么？”他问道。“没什么。你会在那里安装传统的太阳能电池板吗？从来没有。”

帕帕康斯坦丁诺是许多梦想将玻璃面板变成光伏模块的人之一，这些模块可以直接集成到建筑中，既可以用于装饰，也可以用于透视。他的实验室是许多开发不同太阳能窗户方法的团体和公司之一；有些已经在建筑物中安装了。

这种窗户可以不引人注目地为建筑物发电，同时让居住者可以向外眺望街道，享受自然光，或者观看云层从头顶掠过。

根据弗里多尼亚集团的数据，2020年之后，全球每年将有83亿平方米的平板玻璃安装在新建筑中。该地区覆盖着标准的太阳能电池板，在理想的方向上，在峰值输出时可以产生超过1太瓦的能量，一年内可以产生大约2190太瓦时的能量。那是2016年世界年用电量的9%！如果在今年用这种能源替代煤炭，那么化石燃料、工业以及林业和土地利用的变化将会减少约1.6%的碳排放。
捕捉一些光线:UbiQD的玻璃原型使用量子点，来自量子点的光被侧向分流到框架中的太阳能电池。

强大的监管力量正在将太阳能窗户及其环境效益变成现实。欧盟的一项指令要求所有新建筑在2020年底前达到“近零能耗”的标准。日本继福岛第一核电站灾难后，更进一步，要求所有新的公共建筑在2020年前实现零能耗。

太阳能窗户永远不会像传统太阳能电池板那样高效，因为窗户当然必须保留至少部分透明。但是他们可以创造一个巨大的小型光伏源网络。开发商坚持认为，窗户节省的能源将偿还安装它们的费用。

成本差异已经非常小了，这是托马斯·布朗说的，他来自意大利罗马大学，他曾经开发过太阳能窗户。他说，在窗户材料中添加发电组件可能会在不到十年的时间内收回成本。还有各种各样的技术，每种技术都有不同的成本和特点。因此，目前正在进行的开发将决定这项技术是否会起飞，如果会起飞，许多方法中哪一种将占主导地位。

AT&T的贝尔电话实验室在1954年公布了其硅基技术商业化光伏电池。如今，屋顶太阳能电池板仍然普遍使用这种电池。当它们被光子击中时，硅晶格中的电子被推入更高的能级，留下一个带正电的空穴。然后电子和空穴以相反的方向穿过硅层向电池电极移动，产生电流。

理想情况下，一个标准的太阳能电池板可以收集所有可能的光子。然而，太阳能电池板兼作窗户可以通过吸收某些光子来发挥作用——特别是紫外线范围内的光子，它们会褪色并对人有害，以及红外线范围内的光子，它们会提高室内温度。为了阻挡这些光子，通常会给普通窗户玻璃一个低发射率(低辐射)涂层即low-E，也阻挡至少10%的入射可见光。太阳能涂层可以利用这些通常被阻挡的频带来发电。

然而，很难把发电元件放进窗户里。窗户通常还必须满足严格的稳定性标准。这些挑战使得太阳能窗户难以生产和销售。
透明电池:这种柔性发光太阳能聚光器由伦敦大学学院制造，将光线导向边缘，太阳能电池可以放置在边缘。这项技术可以用于改造太阳能窗户和其他“光伏”应用。

UbiQD首席执行官亨特·麦克丹尼尔，在新墨西哥州，确信他的公司的技术在这些领域具有关键优势。公司名称中的“QD”代表量子点半导体纳米晶体。量子点可以发出荧光，响应辐射而重新发光；它们属于一类被称为荧光团的物质，广泛用于标记生物化学物质。

量子点也可以嵌入太阳能窗内的透明材料中，形成发光太阳能聚光器。LSCs将光线捕获在窗玻璃内，然后将其重定向到安装在一侧边缘的不透明太阳能电池。吸收入射光后，荧光团重新发出不同的颜色，在窗户表面之间向太阳能电池反弹，而不是逃逸或被其他点重新吸收。其他公司，包括玻璃变动力，在米兰，和Physee，在荷兰代尔夫特，也使用这种方法。

最好的量子点具有高量子产率——它们重新发射大量吸收的光，其比例随光的颜色而变化。麦克丹尼尔说，UbiQD已经创造了红外QD荧光团，能够实现“颜色中性”的LSC，这不会改变透过窗户看到的物品的颜色，量子产率为80%。对于可见光荧光团，量子产率为95%。“没有什么比这更接近的了，”麦克丹尼尔坚持说。

大多数竞争对手，包括帕帕康斯坦丁诺，都使用有机染料分子作为荧光团，但麦克丹尼尔说这些染料不是特别稳定。“把报纸放在阳光下，观察墨水褪色的速度，”他说。麦克丹尼尔声称，同样的击穿过程会导致使用有机光伏的太阳能窗户出现稳定性问题(OPV)。

麦克丹尼尔和帕帕康斯坦丁努都承认，LSC技术仍处于早期研究阶段。萨拉·库尔茨位于科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室(NREL)的光伏专家呼应了这一观点。“我没有看到任何暗示他们正在进入大规模生产的报道，”她说。

相比之下，经过十多年的产品研发，太阳能视窗技术公司，于2017年8月签署了制造其OPV技术的合同。

彩色玻璃发生器:西班牙萨拉曼卡的贝哈尔市场屋顶上，缟玛瑙太阳能公司的20%透明光伏玻璃模块形成马赛克；它们产生4.1千瓦的峰值功率输出。

SolarWindow最先进的工艺将液体喷射到玻璃上，在玻璃上形成多层夹层的固体有机聚合物。中心填充物是吸收聚合物层，电子和空穴在此分离。其他聚合物层帮助电子和空穴向它们的电极移动。

2017年，SolarWindow授权其喷涂工艺特里维尤玻璃工业，这是一家总部位于洛杉矶的制造商。SolarWindow已经为这项合作筹集了设备资金，但没有透露何时开始销售基于这项技术的窗户，当然也没有透露价格。然而，SolarWindow的首席执行官约翰·康克林(John Conklin)坚称，他的公司致力于接近标准的窗户价格——根据Freedonia Group的数据，一平方米的连续隔热玻璃价格约为500美元。

SolarWindow的另一个目标是一个窗户，可以透射高达85%的可见光，同时阻挡红外线和紫外线。确切的透明度、颜色和色调将决定功率输出，SolarWindow尚未准备好透露。

但不难估计产量会是多少。通常，大约每平方米1000瓦的太阳能落在地球表面。如果一个太阳窗50%透明，它将吸收500瓦/米2。有机光伏电池创纪录的效率——光能转化为电能的百分比——为11.5%。如果太阳能电池板可以提供10%的效率，那么一个1米见方的窗户的峰值输出将是50瓦，或者足够8个手机充电器使用的电量。

透过明亮的玻璃:西班牙瓦拉杜利德足球俱乐部大学露西亚大楼的天窗允许大楼自然采光，同时每年产生高达5550千瓦时的电能。

IDTechEx技术分析师何晓曦在英国剑桥，警告说OPV面板越大，性能下降的可能性就越大。“在一扇大窗户里，你可能会得到2%到5%的效率，”她说。她补充道，稳定性也是一个问题——实验室结果表明，使用当今材料的OPV窗很可能“在理想的情况下”运行七八年

总部设在加州无处不在的能源IDTechEx的何指出，正与SolarWindow竞争将透明的镀膜玻璃推向市场。但她认为，由于实现效率目标和扩大生产具有挑战性，公司的商业化努力仍处于“非常早期的阶段”。

关于商业化前景的问题：我们也对最新的光伏材料之一——钙钛矿(一种有机-无机混合物质)感到兴奋。

这项技术类似于OPV的技术，但是这里夹层的中间是由钙钛矿组成的，而不是太阳能电池使用的聚合物。但是与聚合物吸收剂不同，钙钛矿是半导体，这意味着它们可以自己传输电子，从而有可能收缩或消除夹层中的其他层。这种能力，加上钙钛矿器件更容易制造的事实，有助于提高它们的效率22.7%，高于2009年的3.8%。

钙钛矿对水分很敏感，但英国初创公司牛津光伏称通过开发不太敏感的配方并将其紧密封装，已经解决了这个问题。牛津光伏公司一直致力于太阳能窗户，但目前该公司打算仅在普通太阳能电池板中使用其最先进的防潮产品。通过在标准的6英寸硅太阳能电池前放置半透明的钙钛矿层，牛津光伏生产出效率为25%的“串联电池”。

挑选一种颜色:这些牛津光伏太阳能电池原型的不同颜色表明，定制它们的钙钛矿成分以吸收不同的波长是多么容易。

点亮电源:牛津光伏首席技术官克里斯·凯斯拿着一个串联硅太阳能电池晶片，上面有钙钛矿涂层，刚刚从该公司在德国的试点装配线上下线。

牛津光伏首席技术官克里斯·凯斯(Chris Case)表示:“我担心的是，一款集成建筑的光伏产品需要的时间将超过我们的承受能力。他说，与任何新材料一样，从1平方厘米的研究单元扩展到产生600×1200毫米的足够均匀的窗口将是“大量的工作”。因此，牛津光伏希望在较小的硅电池上完善其技术，希望以后能应用于较大的窗户。

目前，牛津光伏的原型纯钙钛矿电池的效率略低于20%。凯斯说，该公司正在与一家未透露姓名的合作伙伴合作，该合作伙伴预计将在2019年向客户提供串联电池。在他的路线图上，全钙钛矿电池在几年后出现，可能包括太阳能窗。

据NREL的库尔茨说，钙钛矿进展良好，小器件效率仍在提高。“我们希望他们会取得巨大成功，但我还没有看到超过更成熟技术性能的大面积设备的数据，”她说。“我认为他们在准备大规模生产之前还有一些工作要做。”

凯斯并不在乎全有机涂料或其他技术是否更接近商业化。事实上，如果他的竞争对手先下手为强，解决基本的监管、架构和实际挑战，他会欢迎的。“最终，我们的材料应该优于任何其他技术，”他说。他可能会如愿以偿，因为至少有一家公司已经在向建筑承包商提供透明太阳能电池。

在伦敦的一栋办公楼里，仰望七层楼高的光伏天窗。我们可看到一体化的一些实际挑战正在得到解决。窗格中间的能量产生区域看起来比周围的玻璃暗，因此很容易被发现。

这个16乘8米的系统是由西班牙公司生产的缟玛瑙太阳能。Onyx通过使用激光在面板上蚀刻图案，将薄膜硅太阳能电池板变成光伏天窗，使其更加透明。Onyx首席执行官·阿尔瓦罗·贝尔特兰解释说:“我们通过激光划片去除不透明的硅层和背面接触。该公司的产品透明度从不透明到30%不等。相比之下，大多数太阳镜的透明度为18%到45%。
灯塔:这张露西亚大楼的照片展示了光伏天窗的照明有多自然。

这一栋大楼使用了20%透明的产品，项目经理加文·特恩布尔解释道迈凯伦建筑集团建筑承包商。特恩布尔和我乘电梯站在天窗正下方，在那里可以分辨出玻璃上一排排微小的矩形太阳能电池。在边缘周围，一条导电铝带将它们连接起来；它消失在面板之间的横梁中，更传统的电线隐藏在那里。

特恩布尔说，实际安装天窗很简单。然而，与Onyx沟通如何连接面板是一个挑战:天窗最初产生的电压比预期的高得多。工人们解决了这个问题，现在系统运行正常。

自Onyx的工厂于2015年开业以来，面板已经安装在一些高规格的建筑中，包括迈阿密热火队的篮球竞技场。Onyx声称安装在不到一年的时间内就支付了费用。该公司目前正在生产超过5500平方米的半透明光伏玻璃，贝尔特兰称这将是世界上最大的光伏天窗。合适的是，考虑到这项技术的硅传统，它将被安装在重新开发的新泽西州霍尔姆德尔的贝尔工程大楼

根据贝尔特兰的说法，它的成本只比传统的低辐射玻璃高10%。例如，在纽约市，一个3400平方米的天窗，透明度为10%，每平方米大约需要额外安装172美元。然而，考虑激励因素后，额外成本将降至48美元。贝尔特兰声称，考虑到天窗平均每天产生380千瓦时的电量，这笔钱可以在不到两年的时间内偿还。

NREL的库尔茨不太确定。“为了评估这些特定的产品是否准备好改变世界，我们应该问一下回收期是如何计算的，”她警告说。“低回报(时间)可能意味着他们已经取得了突破，这非常令人兴奋。或者，这可能意味着他们找到了愿意(为作为比较基础的非极性产品)支付高价的客户。”
雕刻硅:为了在伦敦钱瑟里巷25-32号制造光伏天窗，Onyx Solar将这个粗糙的格栅蚀刻成了一个薄膜硅面板。

虽然有一些新建筑他们已经使用Onyx等产品从天窗和窗户发电，改造现有建筑可能会更加困难和昂贵。然而，回到帕帕康斯坦丁诺的办公室，他把一个橙色塑料方块——他的团队自己的一个LSC——拍打到窗户上。

当它粘在那里时，可以看到LSC的聚光效果使光线在边缘比在脸上更明亮。帕帕康斯坦丁努说:“如果我们想将此商业化，我们可以将现有的大型建筑改造成发电窗户。马克·波特诺伊伦敦大学学院的研究生，用这种材料制作了一个250×250毫米的原型，与商业细胞相结合，并在去年3月的伦敦生态建筑展上展出。

这种产品也可以添加到许多日常物品中，如汽车、电脑和手机——库尔茨称之为“物体上的光伏”。这些应用程序可能是帕帕康斯坦丁努技术的重要后备阵地，牛津光伏、太阳能光伏和UbiQD也是如此。

他们很可能需要这个退路。随着一组成功的安装已经在它的背后，Onyx已经跳出了早期的商业领先地位。另一方面，除非有革命性的创新，否则它可能不会有广阔的市场，因为激光蚀刻使硅面板透明的程度有限。

因此，真正的太阳能窗户的竞赛仍在进行，即使最有希望的竞争对手——牛津光伏的钙钛矿技术——还需要几年的时间。像UbiQD和Papakonstantinou这样的LSC也是如此。SolarWindow的OPV技术有可能在今年上市，但如果真的上市，该公司仍必须让人们相信其技术确实足够成熟。
太阳能墙板:位于西班牙格拉纳达的Genyo大楼有550平方米的20%透明光伏玻璃。

然而，帕帕康斯坦丁努引用欧洲最大建筑公司之一一位未透露姓名的官员的建议说，如果每种方法“赢得建筑师的心”，它们可能会被独立接受。

幸运的是，这一进程已经进行了二十多年。20世纪90年代，建筑巨头诺曼·福斯特爵士使用了一种创新的——但非光伏的——“光雕塑家”来帮助转动帝国议会，在柏林，变成了世界上最早的零能耗建筑之一。他关于为什么我们需要这样的创新的话已经引起了广泛的共鸣，它们强调了为什么太阳能窗户如此重要:“太阳能建筑不是为了时尚，”福斯特宣称，“而是为了生存。”

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