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在未來 20 年，全球 50% 至 100% 的能源將來自于太陽能。如今，全球石油和天然氣是關(guān)乎 4 萬億美元的龐大業(yè)務(wù)，盡管 2015 年美國 67% 的發(fā)電來自于化石燃料（煤、天然氣和石油），但這種能源結(jié)構(gòu)即將發(fā)生天翻地覆的變化。
不可否認(rèn)，我們正處于太陽能革命的風(fēng)口上，太陽能電池成本將會(huì)直線下降，能源轉(zhuǎn)換率將會(huì)急劇上升，而且推廣部署的動(dòng)機(jī)將會(huì)變得非常誘人。這篇博文是關(guān)于太陽能變革的上篇，本文闡述了太陽能領(lǐng)域正在進(jìn)行的變化，并重點(diǎn)關(guān)注近期發(fā)現(xiàn)名為「鈣鈦礦」（Perovskite）的光伏材料，及其對社會(huì)所產(chǎn)生的巨大影響。
當(dāng)代太陽能：承上啟下
在過去的數(shù)十年間，在太陽能領(lǐng)域中使用最廣泛的材料來自于「硅」（Silicon）。早在 1953 年，就已經(jīng)成功研發(fā)了硅材質(zhì)的太陽能電池；數(shù)年之后，首個(gè)商業(yè)太陽能電池問世。然而令人遺憾的是，首批商用太陽能電池超出了普通消費(fèi)者的承受能力范圍，且能源的轉(zhuǎn)換率相當(dāng)?shù)牡汀?br />
在經(jīng)過數(shù)十年的科技積累，硅材質(zhì)的太陽能電池已經(jīng)變得日益實(shí)惠和高效，且大部分太陽能面板平均能源轉(zhuǎn)換率在 14% 至 18% 之間，而 1954 年的能源轉(zhuǎn)換率僅僅只有 6%；現(xiàn)在每瓦電費(fèi)用甚至可以低至 3 美元，而在 1956 年則需要驚人的 300 美元。
盡管太陽能目前在美國發(fā)電量的占比僅僅只有 0.4%，但太陽能在未來十年將會(huì)呈現(xiàn)巨大增長。美國境內(nèi)，今年太陽能發(fā)電量相比較去年預(yù)計(jì)將會(huì)增長 25% 至 50%，而在全球太陽能發(fā)電量預(yù)計(jì)增幅為 30%。
下方的圖表中表明了近年來全球光伏行業(yè)發(fā)展和發(fā)電量的比例：
這張圖表中所顯示的影響力是驚人的，無論是從環(huán)保角度還是經(jīng)濟(jì)角度。而且，我們不妨來做一些測算，以 30% 的年增長率計(jì)算，在未來 5 年太陽能在美國地區(qū)發(fā)電量占比會(huì)從 0.4% 躍升至 1.5%；在未來 10 年，將攀升至 5.5%；而在未來 15 年，這個(gè)數(shù)字將會(huì)變成 20%，而在未來 21 年，太陽能的占有量將會(huì)達(dá)到 98%。
而且更為有趣的是，號(hào)稱將全面改變光伏產(chǎn)業(yè)面貌的新材料引入將會(huì)加速這個(gè)進(jìn)程推進(jìn)。接下來讓我們深度剖析下這個(gè)新材料。
什么是鈣鈦礦？
在今年召開的 Abundance 360 峰會(huì)上，德勤公司先進(jìn)材料與制造部門專家杰夫·卡爾貝克（Jeff Carbeck）非常激動(dòng)地向我們展示了名為「鈣鈦礦」這種全新材質(zhì)。
鈣鈦礦是一種比現(xiàn)有硅材料解決方案更高效、廉價(jià)且具備通用性的光敏晶體。在過去短短的五年間，鈣鈦礦的能源轉(zhuǎn)換率增幅明顯--從 4% 激升至接近 20%，使其成為光伏行業(yè)歷史上發(fā)展最快的技術(shù)，沒有之一。
早在 2009 年，科學(xué)家就已經(jīng)對鈣鈦礦進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，使其作為染料來吸收太陽光并創(chuàng)建充電，隨后進(jìn)行分離并協(xié)同半導(dǎo)體產(chǎn)生能量。在 2012 年，科學(xué)家意識(shí)到鈣鈦礦本身就能作為半導(dǎo)體使用，開始廣泛測試用于太陽能電池。
由于鈣鈦礦的生產(chǎn)工藝，鈣鈦礦太陽能電池要比硅電池有著以下重要的優(yōu)勢和不足。
優(yōu)勢：
1. 成本： 用于創(chuàng)建鈣鈦礦的原料非常容易獲得且合成成本并不貴，而且整個(gè)加工過程在相對低的環(huán)境（100 攝氏度）就能完成。硅電池通常需要加熱到 900 攝氏度以上才能清除雜質(zhì)，這無疑是非常高昂的代價(jià)。預(yù)估推算鈣鈦礦太陽能電池每瓦電的成本只需要 10 到 20 美分；而傳統(tǒng)基于硅的太陽能面板每瓦需要 75 美分，是前者的 3-8 倍，這也讓太陽能面板讓普通消費(fèi)者更能承擔(dān)得起。
2. 多用途： 鈣鈦礦管具備薄、柔和輕的結(jié)構(gòu)特性，同硅材質(zhì)厚、重和硬的易脆特性有著天然的優(yōu)勢。因此鈣鈦礦的用途非常廣泛，理論上可以安裝至屋頂木瓦、窗戶甚至是任意想到的平面。而這種多用途必然會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)太陽能電池規(guī)模邁上新的臺(tái)階，最終將會(huì)消除對化石燃料的依賴。
3. 高效： 正如上文提及的，鈣鈦礦的轉(zhuǎn)換效率在過去五年間從 4% 增長至接近 20%。然而這僅僅只是開端，從理論上鈣鈦礦的轉(zhuǎn)換效率上限為 66%，而硅材質(zhì)理論上限則是 32%。
不足：
1. 安全性： 鈣鈦礦的成分之一是鉛（lead），這種一種劇毒金屬。所以，任何鈣鈦礦太陽能電池都必須要經(jīng)過一系列嚴(yán)苛的安全測試從而確保鉛不會(huì)成為潛在的危險(xiǎn)因素。然而，研究人員指出，盡管鉛含量非常的低，但也會(huì)對環(huán)境造成負(fù)面影響。目前已經(jīng)有兩家實(shí)驗(yàn)室用錫（tin）成功生產(chǎn)了無鉛鈣鈦礦電池，從而完全消除這個(gè)負(fù)面影響。
2. 耐用性： 目前主流商業(yè)硅太陽能電池都具備 25 年保修，但是當(dāng)鈣鈦礦接觸水分的時(shí)候能夠在數(shù)小時(shí)之內(nèi)完全降解。然而，新的研究已經(jīng)找到了突破口。研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了新型鈣鈦礦光伏，世界上移除嘗試降解的涂層，創(chuàng)建能夠穩(wěn)定操作 1000 小時(shí)以上的材質(zhì)（是科研人員主動(dòng)停止測試）。
疊層太陽能電池：
一個(gè)非常有趣的解決方案是混合鈣鈦礦和其他光伏材料打造出更高效的系統(tǒng)。香港科學(xué)家近日報(bào)告稱已經(jīng)成功混合了鈣鈦礦和硅來創(chuàng)建一個(gè)疊層太陽能電池，從而創(chuàng)新了全球能源轉(zhuǎn)換率上限--25.5%。
太陽能擁有不同的波長，不同材料的混合解決方案能夠讓太陽能電池更好的進(jìn)行能量吸收。
例如，碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）和硅材質(zhì)打造的太陽能電池能夠形成優(yōu)勢互補(bǔ)。將鈣鈦礦太陽能作為頂層，能夠吸收短波光量；而底層則附上硅材質(zhì)，，能夠吸收長波光量。
對太陽能的啟示：
世界能源對太陽能寄予厚望，而且這種希望已經(jīng)非常接近于現(xiàn)實(shí)。當(dāng)前人類每年所消耗電量是 16 兆瓦 (2008 年的數(shù)字)，每年輻射到地球上的能量達(dá) 1813 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界年需要能量總和的 5000 倍。同樣重要的是，如何將這些技術(shù)成果轉(zhuǎn)換成為商業(yè)業(yè)務(wù)。
在 21 世紀(jì) 10 年代初進(jìn)入低迷狀態(tài)之后，很多企業(yè)家和投資者對太陽能持謹(jǐn)慎態(tài)度，畢竟很多太陽能公司在獲得巨額融資之后因管理不善而倒閉。盡管這樣，依然有很多非常有前途的初創(chuàng)企業(yè)著手研發(fā)各種太陽能解決方案，而且我們堅(jiān)信我們能夠在明年看到鈣鈦礦太陽能電池商用。
每天都有新的研發(fā)成果公布，為我們展望了一個(gè)充沛能源、干凈水資源和無限可能的未來世界。這必然會(huì)是材料科學(xué)的一次激動(dòng)人心時(shí)刻，更是人類生存的激動(dòng)人心時(shí)刻。
不可否認(rèn)，我們正處于太陽能革命的風(fēng)口上，太陽能電池成本將會(huì)直線下降，能源轉(zhuǎn)換率將會(huì)急劇上升，而且推廣部署的動(dòng)機(jī)將會(huì)變得非常誘人。這篇博文是關(guān)于太陽能變革的上篇，本文闡述了太陽能領(lǐng)域正在進(jìn)行的變化，并重點(diǎn)關(guān)注近期發(fā)現(xiàn)名為「鈣鈦礦」（Perovskite）的光伏材料，及其對社會(huì)所產(chǎn)生的巨大影響。
當(dāng)代太陽能：承上啟下
在過去的數(shù)十年間，在太陽能領(lǐng)域中使用最廣泛的材料來自于「硅」（Silicon）。早在 1953 年，就已經(jīng)成功研發(fā)了硅材質(zhì)的太陽能電池；數(shù)年之后，首個(gè)商業(yè)太陽能電池問世。然而令人遺憾的是，首批商用太陽能電池超出了普通消費(fèi)者的承受能力范圍，且能源的轉(zhuǎn)換率相當(dāng)?shù)牡汀?br />
在經(jīng)過數(shù)十年的科技積累，硅材質(zhì)的太陽能電池已經(jīng)變得日益實(shí)惠和高效，且大部分太陽能面板平均能源轉(zhuǎn)換率在 14% 至 18% 之間，而 1954 年的能源轉(zhuǎn)換率僅僅只有 6%；現(xiàn)在每瓦電費(fèi)用甚至可以低至 3 美元，而在 1956 年則需要驚人的 300 美元。
盡管太陽能目前在美國發(fā)電量的占比僅僅只有 0.4%，但太陽能在未來十年將會(huì)呈現(xiàn)巨大增長。美國境內(nèi)，今年太陽能發(fā)電量相比較去年預(yù)計(jì)將會(huì)增長 25% 至 50%，而在全球太陽能發(fā)電量預(yù)計(jì)增幅為 30%。
下方的圖表中表明了近年來全球光伏行業(yè)發(fā)展和發(fā)電量的比例：
這張圖表中所顯示的影響力是驚人的，無論是從環(huán)保角度還是經(jīng)濟(jì)角度。而且，我們不妨來做一些測算，以 30% 的年增長率計(jì)算，在未來 5 年太陽能在美國地區(qū)發(fā)電量占比會(huì)從 0.4% 躍升至 1.5%；在未來 10 年，將攀升至 5.5%；而在未來 15 年，這個(gè)數(shù)字將會(huì)變成 20%，而在未來 21 年，太陽能的占有量將會(huì)達(dá)到 98%。
而且更為有趣的是，號(hào)稱將全面改變光伏產(chǎn)業(yè)面貌的新材料引入將會(huì)加速這個(gè)進(jìn)程推進(jìn)。接下來讓我們深度剖析下這個(gè)新材料。
什么是鈣鈦礦？
在今年召開的 Abundance 360 峰會(huì)上，德勤公司先進(jìn)材料與制造部門專家杰夫·卡爾貝克（Jeff Carbeck）非常激動(dòng)地向我們展示了名為「鈣鈦礦」這種全新材質(zhì)。
鈣鈦礦是一種比現(xiàn)有硅材料解決方案更高效、廉價(jià)且具備通用性的光敏晶體。在過去短短的五年間，鈣鈦礦的能源轉(zhuǎn)換率增幅明顯--從 4% 激升至接近 20%，使其成為光伏行業(yè)歷史上發(fā)展最快的技術(shù)，沒有之一。
早在 2009 年，科學(xué)家就已經(jīng)對鈣鈦礦進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，使其作為染料來吸收太陽光并創(chuàng)建充電，隨后進(jìn)行分離并協(xié)同半導(dǎo)體產(chǎn)生能量。在 2012 年，科學(xué)家意識(shí)到鈣鈦礦本身就能作為半導(dǎo)體使用，開始廣泛測試用于太陽能電池。
由于鈣鈦礦的生產(chǎn)工藝，鈣鈦礦太陽能電池要比硅電池有著以下重要的優(yōu)勢和不足。
優(yōu)勢：
1. 成本： 用于創(chuàng)建鈣鈦礦的原料非常容易獲得且合成成本并不貴，而且整個(gè)加工過程在相對低的環(huán)境（100 攝氏度）就能完成。硅電池通常需要加熱到 900 攝氏度以上才能清除雜質(zhì)，這無疑是非常高昂的代價(jià)。預(yù)估推算鈣鈦礦太陽能電池每瓦電的成本只需要 10 到 20 美分；而傳統(tǒng)基于硅的太陽能面板每瓦需要 75 美分，是前者的 3-8 倍，這也讓太陽能面板讓普通消費(fèi)者更能承擔(dān)得起。
2. 多用途： 鈣鈦礦管具備薄、柔和輕的結(jié)構(gòu)特性，同硅材質(zhì)厚、重和硬的易脆特性有著天然的優(yōu)勢。因此鈣鈦礦的用途非常廣泛，理論上可以安裝至屋頂木瓦、窗戶甚至是任意想到的平面。而這種多用途必然會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)太陽能電池規(guī)模邁上新的臺(tái)階，最終將會(huì)消除對化石燃料的依賴。
3. 高效： 正如上文提及的，鈣鈦礦的轉(zhuǎn)換效率在過去五年間從 4% 增長至接近 20%。然而這僅僅只是開端，從理論上鈣鈦礦的轉(zhuǎn)換效率上限為 66%，而硅材質(zhì)理論上限則是 32%。
不足：
1. 安全性： 鈣鈦礦的成分之一是鉛（lead），這種一種劇毒金屬。所以，任何鈣鈦礦太陽能電池都必須要經(jīng)過一系列嚴(yán)苛的安全測試從而確保鉛不會(huì)成為潛在的危險(xiǎn)因素。然而，研究人員指出，盡管鉛含量非常的低，但也會(huì)對環(huán)境造成負(fù)面影響。目前已經(jīng)有兩家實(shí)驗(yàn)室用錫（tin）成功生產(chǎn)了無鉛鈣鈦礦電池，從而完全消除這個(gè)負(fù)面影響。
2. 耐用性： 目前主流商業(yè)硅太陽能電池都具備 25 年保修，但是當(dāng)鈣鈦礦接觸水分的時(shí)候能夠在數(shù)小時(shí)之內(nèi)完全降解。然而，新的研究已經(jīng)找到了突破口。研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了新型鈣鈦礦光伏，世界上移除嘗試降解的涂層，創(chuàng)建能夠穩(wěn)定操作 1000 小時(shí)以上的材質(zhì)（是科研人員主動(dòng)停止測試）。
疊層太陽能電池：
一個(gè)非常有趣的解決方案是混合鈣鈦礦和其他光伏材料打造出更高效的系統(tǒng)。香港科學(xué)家近日報(bào)告稱已經(jīng)成功混合了鈣鈦礦和硅來創(chuàng)建一個(gè)疊層太陽能電池，從而創(chuàng)新了全球能源轉(zhuǎn)換率上限--25.5%。
太陽能擁有不同的波長，不同材料的混合解決方案能夠讓太陽能電池更好的進(jìn)行能量吸收。
例如，碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）和硅材質(zhì)打造的太陽能電池能夠形成優(yōu)勢互補(bǔ)。將鈣鈦礦太陽能作為頂層，能夠吸收短波光量；而底層則附上硅材質(zhì)，，能夠吸收長波光量。
對太陽能的啟示：
世界能源對太陽能寄予厚望，而且這種希望已經(jīng)非常接近于現(xiàn)實(shí)。當(dāng)前人類每年所消耗電量是 16 兆瓦 (2008 年的數(shù)字)，每年輻射到地球上的能量達(dá) 1813 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界年需要能量總和的 5000 倍。同樣重要的是，如何將這些技術(shù)成果轉(zhuǎn)換成為商業(yè)業(yè)務(wù)。
在 21 世紀(jì) 10 年代初進(jìn)入低迷狀態(tài)之后，很多企業(yè)家和投資者對太陽能持謹(jǐn)慎態(tài)度，畢竟很多太陽能公司在獲得巨額融資之后因管理不善而倒閉。盡管這樣，依然有很多非常有前途的初創(chuàng)企業(yè)著手研發(fā)各種太陽能解決方案，而且我們堅(jiān)信我們能夠在明年看到鈣鈦礦太陽能電池商用。
每天都有新的研發(fā)成果公布，為我們展望了一個(gè)充沛能源、干凈水資源和無限可能的未來世界。這必然會(huì)是材料科學(xué)的一次激動(dòng)人心時(shí)刻，更是人類生存的激動(dòng)人心時(shí)刻。
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