图片来源:Tara Dhakal
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随着发展中国家走向工业化，全球对能源的需求每时每刻都在增加。专家估计，到2050年，全球电力需求可能达到30太瓦。从角度来看，1太瓦的功率大致相当于13亿匹马的功率。
来自太阳的能量是无限的——在任何给定的时刻，太阳为我们提供120,000太瓦的能量——而且它是免费的。但是今天太阳能只提供了全球1%的电力。关键的挑战是如何降低将光能转化为可用电能的成本。
要做到这一点，我们需要找到能吸收阳光并有效地将其转化为电能的材料。此外，我们希望这些材料是丰富的，对环境无害的，并具有成本效益，以制造太阳能设备。
来自世界各地的研究人员正在努力开发高效且价格合理的太阳能电池技术。其目标是将太阳能发电的安装成本降至每瓦1美元以下，而目前的安装成本约为每瓦3美元。
在宾厄姆顿大学自主太阳能中心(CASP)，我们正在研究如何使用天然丰富且无毒的材料制造薄膜太阳能电池。我们希望开发可靠的太阳能电池，高效地将阳光转化为电能，并且生产成本低廉。我们已经确定了两种具有巨大潜力的太阳能吸收材料:黄铁矿，因其金属光泽而被称为傻瓜金;铜锌锡硫化物(CZTS)。
寻找理想的材料
今天的商用太阳能电池由以下三种材料之一制成:硅、碲化镉(CdTe)或铜-铟-镓-硒化(CIGS)。每个人都有优点和缺点。
硅太阳能电池非常高效，能将25%的阳光转化为电能。硅也非常耐用。然而，将硅加工成晶圆是非常昂贵的。而且这些晶圆必须非常厚(大约0.3毫米，这是太阳能电池的厚度)，以吸收所有落在它们身上的阳光，这进一步增加了成本。
硅太阳能电池——通常被称为第一代太阳能电池——被用于屋顶上的电池板上，这已经成为人们熟悉的景象。我们的中心正在研究另一种类型的薄膜太阳能电池，这是下一代太阳能技术。顾名思义，薄膜太阳能电池是通过在玻璃或塑料等基底上覆盖一层薄层的太阳能吸收材料制成的，这些基底通常是柔性的。
这种太阳能电池使用的材料更少，因此比硅晶体太阳能电池更便宜。在柔性衬底上涂覆晶体硅是不可能的，所以我们需要一种不同的材料来用作太阳能吸收体。
尽管薄膜太阳能技术正在迅速改进，但当今薄膜太阳能电池中的一些材料是稀缺的或危险的。例如，CdTe中的镉对所有生物都是剧毒的，已知会导致人类癌症。碲化镉在高温下(例如，在实验室或房屋火灾中)可以分离成镉和碲，造成严重的吸入风险。
我们正在使用黄铁矿和CZTS，因为它们无毒而且非常便宜。CZTS的成本约为每瓦0.005美分，而黄铁矿的成本仅为每瓦0.000002美分。它们也是地壳中最丰富的物质之一，能有效地吸收可见光。这些薄膜可以薄到千分之一毫米。
到目前为止，电池是低效的
在制造太阳能电池之前，我们需要将这些材料结晶化。这是通过加热来完成的。CZTS在600摄氏度以下的温度下结晶，而硅在1200摄氏度或更高的温度下结晶，这使得加工成本更低。它的性能很像目前已上市的高效铜铟镓硒化太阳能电池(CIGS)，但用更便宜、含量更丰富的锌和锡取代了这些电池中的铟和镓。
然而，到目前为止，CZTS太阳能电池的效率相对较低:它们将不到13%的阳光转化为电能，相比之下，更昂贵的CIGS太阳能电池可以将20%的阳光转化为电能。
我们知道CZTS太阳能电池有30%的效率潜力。主要的挑战是1)合成高质量的不含任何杂质的CZTS薄膜，2)为它下面的“缓冲”层找到合适的材料，这有助于收集阳光在吸收层中产生的电荷。我们实验室已经生产了一种效率为7%的CZTS薄膜;我们希望通过合成高质量的CZTS层和找到合适的缓冲层，很快达到15%的效率。
黄铁矿的稳定性有问题
黄铁矿是另一种潜在的吸收剂，可以在很低的温度下合成。我们的实验室已经合成了黄铁矿薄膜，现在我们正在努力将这些薄膜分层到太阳能电池中。这一过程具有挑战性，因为黄铁矿在受热和受潮时很容易分解。我们正在研究如何在不影响其太阳吸收能力和机械性能的情况下使其更稳定。如果我们能解决这个问题，“傻瓜金”就能变成智能光伏设备。
在最近的一项研究中，斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员估计，到2050年，太阳能将为美国提供高达45%的电力。为了实现这一目标，我们需要继续降低太阳能的成本，并找到使太阳能电池更具可持续性的方法。我们相信，丰富的无毒材料是实现太阳能潜力的关键。
塔拉·p·达卡尔(Tara P. Dhakal)是纽约州立大学宾汉姆顿大学电气与计算机工程助理教授。这篇文章最初发表于谈话的内容。
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16条评论
高效率真的那么重要吗?
如果能达到30%就太好了。然而，如果价格能够充分降低，即使是13%的效率电池也完全可以接受。那里有很多可用的空间。停车场、人行道、工业大厦屋顶等的遮阳装置。
只是不是那些太阳能公路!一个由糟糕的数学支撑的糟糕想法。
钙钛矿的效率已经达到了十几岁左右
钙钛矿本身的效率在十几岁左右，但尚未解决稳定性/寿命问题。在硅电池上使用不同的光谱将钙钛矿分层并达到30%以上是可能的，但在钙钛矿的其他问题得到解决之前，没有商业产品的考虑。
在房地产有限的情况下(比如，在你的屋顶上)，将合理数量的电力放置在负载上，效率很重要，对于公用事业规模的太阳能发电场来说，效率就不那么重要了。但是，太阳能发电场有更多的房地产和电网基础设施所需的额外成本。当效率是在计价器的收费人那一边时，它仍然是值得花钱的。
怎么，不喜欢"该死的太阳能公路"？:-)每英里花同样的钱，你可以建造5-10倍数量的“遮阳公路”，让部分太阳眩光和大部分雨水远离人行道和汽车。作为一项技术工程挑战，由于需要解决的问题的范围和复杂性，太阳能公路很有趣，但它绝对不是发电的解决方案，永远也不会是。
效率已不是当今太阳能的问题
我同意内森的观点。到处谈论“低效太阳能”是有害的;它阻止人们考虑使用太阳能。今天，效率更高的电池板仅仅意味着所需的空间更少，而且今天太阳能的可用空间不是问题。另一方面，每瓦(或每兆瓦时)的成本仍然是一个重要因素。
为了降低成本和环境影响，不断提高效率和改进材料是很好的。但是“太阳能效率不高”的梗需要尽快消失。见鬼,根据EIA在美国，现有的燃煤电厂的效率只有32%。没有人跑来跑去说“哦，煤电厂效率太低了!”
@Dana，确实有些屋顶空间有限。但在下雪的明尼苏达州，我的屋顶只能放12块相对低效的230W电池板，而我仍然生产了我家75%以上的用电。空间有限的家庭可能只需要更多的led来让太阳能为他们工作。；）
今天的效率不是问题，但低效率会是问题
光伏电池的成本是太阳能安装成本的一个下降的部分。许多其他成本是按面积计算的，而不是按功率计算的，所以牺牲效率来降低成本的选择可能会从后面来咬你——在某种程度上，低效率电池即使是零成本也没什么意思，因为安装它们的成本比购买和安装传统模块的成本要高。
此外，在屋顶上很容易找到空间来支持LED灯、炉子、热水器和与GBA.com的连接，但如果你想在寒冷的气候中提供热量并为电动汽车充电，就有必要充分利用空间。
许多住宅光伏发电是违反效率和自然的犯罪
我写了一篇更长的回复，但当我打字时，我按了键盘上的一个按钮，在我发表评论之前，我所有的评论都从框中消失了。这很令人沮丧，所以下面是简短的版本。
1.我相信大多数人(居民)不太关心光伏效率(在任何水平上)，他们甚至不知道它意味着什么。在安装光伏之前，他们通常不会采取行动减少能源需求。可用的屋顶空间无法满足电力需求。
2.电力购买协议(PPA)供应商更是对社会不负责任。我经常在马里兰州中部附近闲逛，经常看到新的住宅光伏装置(院子里有PPA标志)，在方位角和遮阳方面，它们很少考虑效率。很明显，PPA采购供应商正在大赢，而不需要或担心效率。
1和2是目前住宅光伏发电的事实，这是对效率和性质的犯罪。如果我参与提高光伏转换效率的工作，会让我更加不安。
埃里克暗示说，也许人们需要更多的led，但这是一个保守的说法。目前的住宅光伏部署活动就像在一辆方轮汽车上安装一个高效的发动机。这就好像大自然进化出了一种树叶能够进行高效光合作用的树，但同样的树有许多巨大的树枝，根本没有叶子。
我是GBA网站上一篇文章的作者，文章名为“让老房子更阳光、更高效”。看到//www.elsporta.com/homes/making-old-tract-house-sunnier-and-more-efficient．
我绝不会宣称自己是效率专家，也不会宣称自己已经尽了最大努力。但我至少试着认识到效率的大局。如果不降低我的需求(从16千瓦时/年)，我就不会很快应用光伏发电。到大约6772千瓦时/年)，并试图尊重方位角/阴影，那么我就会在我的车上安装方车轮。虽然我的屋顶面积很小，但目前足以提供大约125%的负载(希望有电动汽车到来)。
回应里克·米勒
里克,
你说对了一半。当然，安装led灯是有意义的。但是信封的改进呢?也许不是。PV变得如此便宜以至于PV打败了很多包络测量。鉴于这一事实，我们可能需要重新调整我们的思想。
有关此主题的更多信息，请参见多少隔热材料算多?
马丁，你总是想着钱
你说我说对了一半，我对此表示怀疑，我讨厌一切都是由金钱驱动的，而金钱往往首先只是投机。
事实上，我已经受够了GBA，他们最终让我相信你是“赚钱的绿色主义者”——这意味着你可能对绿色原则和设计没什么兴趣，除了从中赚钱。最近我已经减少了对GBA的评论和关注，以后还会继续减少。很可能我甚至不会看到你对此的反应。
回应里克·米勒
里克,
我当然希望你重新考虑一下——我们希望继续听到你在GBA上的声音。成为我们社区的一员。
我可以向你保证(尽管你可能不相信我)，我对从“绿色”营销中赚钱不感兴趣。然而，我对能源建模结果、能源监测数据和成本分析感兴趣，因为这些工具可以帮助绿色建筑者了解哪些投资最有意义。没有这种类型的分析，我们是在盲目飞行。
钱钱钱
Rick，我一直觉得GBA关于成本权衡的文章与其说是为了让设计或安装节能措施的人赚钱，不如说是为了认识到大多数房主/买家的财务资源有限，当他们在选项之间做出选择时必须做出权衡。
是的，超级绝缘是很棒的而且有现场pv供电的迷你分裂热。但也许你的银行账户根本负担不起。也许你可以超级绝缘，或有现场PV。在这种情况下，值得考虑的是“物有所值”的情景(“物有所值”是指减少的排放量)。
如果效率更高，你可以覆盖150% (@ Eric， #3)
两倍的效率可以覆盖150%的当前用电量…
.．.而且cover power for charging an electric vehicle.
led是通往净零的道路上最便宜的水果，在生命周期的基础上，它的负瓦比甚至一瓦的光伏发电便宜得多。在美国普通家庭中，照明占总能源消耗的比例在5-15%之间，远远落后于热水供暖、暖气和空调，从节能灯(甚至白炽灯)换成led不太可能决定使用光伏发电，最多也就几个电池板。
在你的社区中，排水热交换器可能仍然是一个比更多光伏更好的生命周期投资，但这取决于你用多少淋浴，以及你如何加热水。
我自己的屋顶无法容纳12块效率为15%的230瓦电池板(如果没有一些古怪的奇角安装结构，可能会有6块)，我的遮阳因素会错过40%的可用阳光，目前正被那些讨厌的树木所剥夺(能量转换效率非常糟糕:-))，而且即使所有的照明和电器都很高效，也不能覆盖超过20-25%的家庭年用电量。(肯定是在NetFlix上狂看韩国电视和宝莱坞小妞电影，这导致了电费账单的增加，是的，那个青春痘……: -))
Rick:难道MD没有关于PV朝向和遮阳因子的标准吗?听起来好像有很多黑客安装在你当地的光伏行业…
指出不同的方法有不同的成本和收益与“更环保”的行为是不一样的。在资本有限和成本不断变化的世界里，跟踪不同方法的移动成本/收益是很重要的。在一个地方和时间可能具有明显成本效益的超级绝缘水平，在另一个地方和时间并不总是相同的。PV的指数成本曲线衰减并没有停止，而且近年来一直在跨越各种阈值。地下室板下一英尺泡沫的环境足迹也发生了变化，但它在成本或环境基础上的生命周期效益可能不再合理，因为热泵和光伏效率已经提高，其生命周期(环境)成本已经下降。
问戴娜的问题[回答2]
我在试着理解下面这个句子的意思:
可以在硅电池上使用不同的光谱将钙钛矿分层，并达到30%以上
你是说两个不同的光电池可以堆叠在另一个上面，两个收集不同波长的辐射[光子]?如果我理解正确的话，在这种情况下，硅基光电池将作为钙钛矿薄膜的衬底。这是正确的图片吗?如果我是正确的，我的下一个问题是，只要你可以生长出具有高透射系数的穿过外层薄膜的光子波长的外层薄膜，为什么要停留在两层系统。明白吗?
你说对了!(安东尼奥·奥利弗，11)
是的，薄膜可以应用在标准的硅PV之上，以利用更多的光谱。它降低了到达硅电池的总光量，但这远远被薄膜电池的输出所弥补。理论上，你可以继续增加更多的层次，但我认为回报会迅速递减。
在开始三层以上的技术之前，最好开发一种具有足够稳定性的钙钛矿技术，可以持续与当前一代硅光伏一样长的时间，然后看看将其与硅电池相结合是否仍然有意义。钙钛矿的效率世界纪录大约是20-21%，但如果这种物质在短短几周内就退化成垃圾(即使是今天最好的版本，有些也只能维持几个小时)，那么它距离实际解决任何问题还有很长的路要走。但有很多研究正在试图找到实现这一目标的神奇过程，目前实验性混合动力车的转换效率已超过25%:
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160412104814.htm
请注意，已经有大量的硅电池板在大量生产，转换效率超过20%，而且很快就会有更多的硅电池板在你附近的光伏制造厂生产:
http://www.greentechmedia.com/articles/read/Is-SolarCitys-New-PV-Module-the-Worlds-Most-Efficient-Rooftop-Solar-Pane
发光二极管
好吧，关于LED的评论我有点轻率;我的观点是，效率通常比PV便宜得多。我把家里的电费削减了一半，然后加上了光伏。
当然，有了更高效的电池板，我可以覆盖我整个房子的使用。更重要的是，电动汽车。有一个袖珍反应堆，我可以覆盖整个街区。；）
我更大的观点是，我们今天的PV工作，而且工作得很好。它绝对有效，并且可以在许多情况下进行成本效益的部署——关于“低效率”的喋喋不休的讨论阻止了人们继续使用我们今天所拥有的东西。覆盖75%远比0%好，即使100%可能在10年后实现。
太阳能电池效率&堆叠电池。
以下是按类型划分的最佳电池效率图表:http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg(它是> 3MB，所以我不能附加它)。“到目前为止，电池效率很低”的评论有点虚伪!46%是最好的!
至于堆叠的光电池:2 - 4个不同的光电池一个堆叠在另一个上面，但在地面应用中效果不太好。当太阳光谱发生变化时——比如在上午或下午——太阳能电池就会变得不平衡，效率就会降低。它们在卫星上很好，因为那里没有天气。
你知道堆叠电池每瓦的价格吗?
超级高效的太空级材料只有在与每单位重量发射的极端成本相抗衡时才具有成本效益。我不指望在未来几十年内，任何接近40%效率的产品都能在住宅屋顶应用上实现商业可行性，但也不必如此。
效率为5%的薄膜光伏发电确实很便宜，但由于房地产的限制，在任何价格点上都不足以用于住宅屋顶应用。仅货架成本就降低了它与晶体硅或CdTe的竞争力，效率是公用事业规模项目的3倍。
商用的15-20%效率的硅和CdTe电池板已经足够挂在屋顶上了，而且考虑到它还处于开发阶段的早期，它肯定不值得等待下一代30%+效率2-堆叠的电池材料上市。即使是将单层钙钛矿电池商业化生产也是创业公司高度投机的梦想，但至少其中一些梦想家正在获得风险投资:
http://www.oxfordpv.com/Technology
虽然硅光伏还在发展，但很明显，到2030年，它将成为最便宜的能源形式，但这并不是说钙钛矿技术在那之前就不能取代硅在太阳中的地位。考虑到钙钛矿对材料和生产能源的吝啬，钙钛矿的前景就是它有多便宜。实验室样品效率已经在屋顶光伏的竞争范围内，所以如果稳定性问题能够得到解决，它将创造一个新的范例。
研究主题
我只是想从研究的角度感谢作者发表了一篇文章。这在GBA上并不常见，而且非常有趣。你所宣称的低成本、高效率和无毒的目标是正确的，从长远来看是非常值得的。再接再厉!
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