太阳能窗户很快将成为商业现实

去年，联合国发出了严峻的警告：世界采取行动来避免灾难性和不可逆转的气候变化的十年期非常短。毫不奇怪，由于正在进行的ESG投资热潮正证明了现代历史上最严重的大流行，清洁能源驱动已全面发展。总体而言，化石燃料仍为全球经济提供动力，但迅速地避开了风能，太阳能和地热能等可再生能源。在石油和天然气部门面临现代历史上最严重的生存危机之时，对可再生能源的需求持续增长。

可再生能源确实是在阳光中发挥作用的，以前奥秘的主题，例如氢能，太阳能窗户，甚至是反太阳能板，都享有盛大的复兴-每一点都很重要。

通过过度利用清洁能源爱好者以牺牲化石燃料为代价来推广可再生能源，太阳能窗户经常被视为另一种无脑的尝试。但是，在不久的将来，这项居家般的技术可能在我们应对气候变化的斗争中发挥重要作用。

钙钛矿太阳能窗户

对我们大多数人来说，窗户只不过是标准的家用器具，它由玻璃窗格组成，可让光线进入并保持恶劣天气和其他因素的进入。但是，科学家现在认为我们的窗户是抓住建筑物无源部分并将其转变为清洁能源的有源发电机的机会。

工程师们已经开发出一种半透明的太阳能电池，可以使我们的窗户加倍成为可以改变我们的建筑和能源生产方式的太阳能电池板。

太阳能窗户正是它们的声音：透明的窗户能够吸收阳光并将其转化为有用的电能。代替标准的硅（深蓝色且完全不透明），太阳能窗户使用钙钛矿太阳能电池（PSC）来收集电力，就像大多数传统太阳能电池板一样。的确，仅两平方米（约22平方英尺）的下一代PSC的着色程度与目前的玻璃商用窗户相同，就足以产生与标准太阳能电池板一样多的电力-大约在140瓦左右每米。

这与典型的太阳能电池板相距不远，后者可产生约320瓦的功率。确实，当年最好的太阳能电池板能够产生285瓦至360瓦的电能。

但在此之前，我们先谈谈我们称为钙钛矿的神奇水晶。

钙钛矿太阳能电池

利用太阳之母的力量几乎是我们可以达到的。

太阳是我们的主要能源，它使我们的蓝色星球沐浴在比我们期望的合理使用量更多的太阳能中。每小时，太阳向我们发出430亿焦耳的能量，超过了人类全年消耗的410亿焦耳的能量。太阳可能还会存在约50亿年左右，所以我们拥有几乎无限的能源-只要能够有效利用它。

不幸的是，由于技术限制，我们目前只能利用少量的这种能量。

但这要归功于变化，这要归功于一种神奇的钙钛矿晶体的进步。

美国能源部（DOEs）国家可再生能源实验室（NREL）成立了一个公私合营组织，称为“美国制造高级钙钛矿协会的US-MAP”，旨在快速追踪低成本钙钛矿太阳能电池的发展。全球市场。

硅面板

根据IEA的数据，2018年太阳能仅提供592GW的电力，占全球26,571GW的电力消耗的2.2％。此前，全球光伏安装量增长了20％，达到近100GW。

安装的这些光伏（PV）面板中，有90％以上是由结晶硅制成的。

硅面板具有以下优点：它们非常坚固并且相对容易安装。由于制造方法的进步，在过去十年中它们变得非常便宜，尤其是在中国工厂建造的多晶面板。

但是，它们有一个主要缺点：硅光伏面板效率很低，最便宜的型号只能根据位置，方向和天气条件等因素管理7％-16％的能源效率。硅面板是基于晶圆的而不是薄膜的，这使它们更加坚固耐用，但是这种折衷是牺牲效率的。

为了满足世界范围内迅速增长的能源需求，并实现有助于减缓气候变化影响的脱碳目标，建造和安装足够的硅PV面板需要数百年的时间。

鉴于我们只有10年的时间来采取行动来避免不可逆转和灾难性的气候变化，这太慢了。

更关键的是，迄今为止最好（也是最昂贵）的硅面板的效率等级是最高效率等级，为26.7％，非常接近理论最大值29.1％。

多年以来，科学家们一直在尝试替代晶体的形成，这种晶体可以使尺寸相似的面板捕获更多的能量。到现在为止，几乎没有什么设计在商业上可行，特别是在理论上可以实现更高效率的薄膜电池。

薄膜光伏面板可以吸收更多的光，从而产生更多的能量。这些面板的制造成本低廉，快速，可以在更短的时间内满足更多的能源需求。那里有几种不同类型的薄膜，它们都与标准晶体硅（c-si）PV面板有些不同。

非晶硅（a-Si）面板是最古老的薄膜形式：化学蒸汽将一层薄薄的硅沉积在玻璃或塑料上，从而生产出重量轻，效率不高的面板，可管理13.6％。然后是碲化镉（CdTe）面板，该面板使用玻璃上的镉颗粒来生产高效面板。

金属镉的缺点是有毒且难以大量生产。

这些面板通常使用蒸发技术生产：将颗粒过热并将蒸气喷到坚硬的表面（例如玻璃）上。它们很薄，但不如目前主导市场的c-si面板可靠或耐用。

NREL钙钛矿突破

钙钛矿现已设法打破了效率玻璃的上限。

钙钛矿是晶体家族，以俄罗斯地质学家Leo Perovski的名字命名为“钙钛矿”。它们具有一系列特性，使其成为太阳能电池的潜在构成要素：高超导性，磁阻和铁电性。钙钛矿薄膜光伏面板可以吸收来自各种波长的光，从而在相同的太阳光强度下产生更多的电能。

2012年，科学家们终于成功制造出钙钛矿薄膜太阳能电池，其效率超过10％。但是从那以后，新型钙钛矿电池设计的效率飞速上升：最近的模型可以达到20％，全部来自薄膜电池，从理论上讲，它比厚膜硅板容易制造且便宜。

在牛津大学，研究人员的效率达到了25％。一个德国研究团队的成绩达到了21.6％，而2018年12月，牛津实验室的效率达到了28％，创造了新的纪录。

美国国家可再生能源实验室（NREL）通过将钙钛矿放在硅太阳能电池上以制造多结太阳能电池，从而能够制造复合硅钙钛矿电池，新电池的效率为27％，而仅硅为21％。用过的。

但也许更重要的是，该组织能够通过改变钙钛矿型太阳能电池的化学成分来克服光诱导的相分离，从而延长了钙钛矿型太阳能电池的寿命。在这种过程中，组成太阳能电池的合金在暴露时会分解持续发光。

好消息：科学家发现钙钛矿太阳能电池的效率最终达到约40％。换句话说，未来的太阳能电池可能比目前可用的最佳型号强大多达50％。

低成本钙钛矿板

得益于技术进步，竞争性采购以及大量经验丰富的国际活跃项目开发商，太阳能变得比以往任何时候都更加经济实惠，可访问且普及。

根据国际可再生​​能源署（IRENA）的数据，太阳能发电现在已经与化石燃料发电厂完全竞争，公用事业规模太阳能光伏电池的全球加权平均平准化电力成本（LCOE）下降了75％，降至美元以下自2010年以来为0.10 / kWh。

资源：伊雷娜

但是，仍有工作要做。

光伏电池的LCOE为0.085美元/千瓦时，聚光太阳能项目的LCOE为0.185美元/千瓦时，太阳能（公用事业规模+住宅屋顶）仍然比包括水电，陆上风能，地热和生物能源在内的其他可再生能源更为昂贵。

US-MAP计划解决主要涉及制造和耐用性的问题，并解决主要涉及铅和其他金属使用的可持续性问题。该财团将专注于从联邦来源筹集资金，并探索私营部门的融资。

希望到2025年，通过使太阳能成为最便宜（甚至不是最便宜）的发电方式之一，它将能够使IEA的预测成为现实。

底线

它的长短：太阳能窗户具有巨大的能源潜力。

只是想一想：如果美国的每个屋顶都安装了太阳能电池板，那么我们可以轻松满足40％的电力需求。现在想象一下，如果我们不仅可以在屋顶上使用太阳能电池，还可以在垂直立面（例如墙壁和窗户）上使用太阳能电池，那该怎么办。

判决：仅靠建筑集成太阳能，我们就可以达到近100％的总发电量。

如果Tesla公司（NASDAQ：TSLA）之类的公司几年后开始向您出售太阳能窗户，请不要感到惊讶。毕竟，特斯拉已经有了太阳能屋顶。

作者Alex Kimani为Oilprice.com提供