展望未來(lái)50年到100年能源基礎(chǔ)設(shè)施是很有趣的，哪些技術(shù)將被證明是成本最高？碳排放效率最高的？當(dāng)然，這可能是一個(gè)自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言——我們認(rèn)為可行的技術(shù)將是投資和開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

這就是為什么我認(rèn)為應(yīng)該通過(guò)開(kāi)發(fā)每一個(gè)可行的選項(xiàng)來(lái)對(duì)沖我們的賭注。核裂變能做到成本效益高嗎？核聚變會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？太陽(yáng)能的效率有多高？以及哪種電網(wǎng)存儲(chǔ)方式最有效？盡管如此，我確實(shí)認(rèn)為很明顯，太陽(yáng)能將在我們的能源基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

截至到2018年，太陽(yáng)能僅占美國(guó)能源產(chǎn)量的1.6%，但增長(zhǎng)迅速。目前使用的大多數(shù)太陽(yáng)能電池板都是硅基的。它們正在變得更便宜和更有效率，并且已經(jīng)在大多數(shù)領(lǐng)域越過(guò)了成本效益的界限，并且在十年內(nèi)應(yīng)該在所有地方都達(dá)到成本效益。當(dāng)然，太陽(yáng)能是一種間歇性的能源，不是按需供應(yīng)的?，F(xiàn)在，只有這么少的滲透，基本上可以把電網(wǎng)當(dāng)做電池——當(dāng)生產(chǎn)比你使用多的時(shí)候就把能量投入電網(wǎng)，當(dāng)你需要的比生產(chǎn)的多的時(shí)候就從電網(wǎng)中獲取能量。

這就是為什么凈計(jì)量法如此重要的原因——確保使用太陽(yáng)能客戶(hù)對(duì)他們生產(chǎn)的過(guò)剩能源獲得充分的信用。這一策略將會(huì)奏效，直到我們達(dá)到20%的滲透率。然后，儲(chǔ)存將是必要的，以獲得更高水平的太陽(yáng)能在混合。存儲(chǔ)可以是獨(dú)立的，就像家里有一堵電源墻。也可以是由電力公司自己運(yùn)營(yíng)的大規(guī)模電網(wǎng)存儲(chǔ)。很可能在未來(lái)我們將兩者兼得。在我看來(lái)，我們究竟將為存儲(chǔ)做些什么，是一個(gè)開(kāi)放的技術(shù)問(wèn)題。與此同時(shí)，太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)不斷進(jìn)步將提高太陽(yáng)能的使用量，這里有三個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者：

第一種：是硅基剛性(晶圓基)太陽(yáng)能電池。這類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)投入使用(約占太陽(yáng)能市場(chǎng)的95%)，而且每年都在穩(wěn)步增加。這項(xiàng)技術(shù)也將受益于大規(guī)模生產(chǎn)的增加。

第二種：薄膜光電，它使用多種材料，但目前只占市場(chǎng)的5%左右。然而，有一種基于鈣鈦礦的潛在新興技術(shù)，鈣鈦礦是一類(lèi)豐富的材料，具有優(yōu)異的太陽(yáng)能電池甚至電池性能。鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池板比硅片更便宜、更薄、更高效。然而有一個(gè)致命的缺陷——它們不穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)很快分解。鈣鈦礦太陽(yáng)能研究的重點(diǎn)是找到使其穩(wěn)定的方法，同時(shí)又不會(huì)犧牲太多的好處，在其他技術(shù)使其過(guò)時(shí)之前，可能不會(huì)發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。

第三種：也是新聞的焦點(diǎn)，是有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)。這些都是由有機(jī)聚合物制成，因此也使用豐富的材料，不需要任何稀有或珍貴的材料。有機(jī)太陽(yáng)能電池有兩個(gè)限制，一個(gè)目前是致命的，另一個(gè)不是。不那么致命的限制是效率，它們的效率只有目前市場(chǎng)上硅太陽(yáng)能電池的一半左右。

商用硅太陽(yáng)能電池的效率在17-20%之間，原型電池的效率已經(jīng)達(dá)到26%，接近硅電池29%的理論極限(被稱(chēng)為“沖擊-奎塞爾極限”)。所以很快我們就會(huì)有商用硅太陽(yáng)能電池，效率接近29%。這已經(jīng)足夠讓一個(gè)普通家庭通過(guò)屋頂太陽(yáng)能產(chǎn)生超過(guò)100%的電力。鈣鈦礦的理論極限是31%，稍高一些。利用昂貴的外來(lái)材料，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了效率為44%的太陽(yáng)能電池，但這可能永遠(yuǎn)不會(huì)用于商業(yè)用途(但適用于衛(wèi)星和類(lèi)似應(yīng)用)。順便說(shuō)一下，有很多方法可以繞過(guò)這個(gè)限制，比如使用多個(gè)連接和量子點(diǎn)以及其他新興技術(shù)。真正的問(wèn)題總是成本效益和可伸縮性。

目前，有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率約為11%。然而，就在15年前，硅太陽(yáng)能電池還在那里。這個(gè)數(shù)字很低，但不至于致命。有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)足以抵消這一缺點(diǎn)。有機(jī)太陽(yáng)能電池薄、靈活、便宜、易于大規(guī)模生產(chǎn)和安裝。在許多情況下，安裝太陽(yáng)能的效率只有一半，但價(jià)格只有四分之一是合理的。靈活性，以及使其透明的能力，也增加了可能的應(yīng)用。所以你可以用有機(jī)太陽(yáng)能覆蓋更多的房子，以更低的整體價(jià)格來(lái)彌補(bǔ)更低的效率。這一切都很好，隨著有機(jī)太陽(yáng)能效率的提高，它也將變得越來(lái)越劃算。

由于這些原因，有機(jī)太陽(yáng)能可能是未來(lái)的終極太陽(yáng)能。然而，仍然有一個(gè)致命的缺陷需要克服，有機(jī)太陽(yáng)能也不穩(wěn)定。表面往往與空氣中的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)，并分解，失去其效率?？梢杂猛该鞯拿芊饽z覆蓋它，但這會(huì)增加成本，使電池更厚，并可能降低靈活性。所以犧牲了一些好處或有機(jī)的通過(guò)解決它的主要問(wèn)題，然后基本上有接近硅的東西，但一半的效率。這讓我們終于看到了新研究突破——研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，在不犧牲任何優(yōu)點(diǎn)的前提下，使有機(jī)太陽(yáng)能電池更加穩(wěn)定。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的主要問(wèn)題是其表面存在共軛富勒烯衍生物苯基- c61 -丁酸甲酯(PCBM)。這些是電子接受分子，負(fù)責(zé)與氧反應(yīng)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，基本上是使用膠帶，加上壓力和加熱，把PCBMs從表面拉下來(lái)。這消除了94%的PCBMs，并顯著提高了有機(jī)細(xì)胞的耐久性，即使在潮濕的條件下。研究人員還認(rèn)為，這是一個(gè)可擴(kuò)展的經(jīng)濟(jì)有效的過(guò)程。這會(huì)促使有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)的繁榮嗎？現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過(guò)早，研究人員稱(chēng)這是一條商業(yè)化的“道路”，所以聽(tīng)起來(lái)我們還沒(méi)有走到這一步。

但這是一個(gè)重大的進(jìn)步，使有機(jī)太陽(yáng)能技術(shù)看起來(lái)更可行。如果你關(guān)注太陽(yáng)能技術(shù)新聞，那么像這樣的新聞事件就會(huì)很熟悉，甚至每周都有。很難說(shuō)這些“突破”中哪些會(huì)成功，哪些永遠(yuǎn)不會(huì)商業(yè)化。他們確實(shí)傾向于共同為技術(shù)的穩(wěn)步進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室里讀到的很多技術(shù)，如果成功的話(huà)，離商業(yè)產(chǎn)品可能還有10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。所以我們對(duì)未來(lái)總是有一個(gè)模糊的愿景。但從所有這些太陽(yáng)能科學(xué)新聞中得到的信息是，有多種選擇，而且技術(shù)正在穩(wěn)步進(jìn)步。我們正看到這一進(jìn)展的成果(如果推遲10年)出現(xiàn)在商業(yè)產(chǎn)品上。

很有可能，到2030年將有更便宜、更高效的太陽(yáng)能電池，到那時(shí)，我們可能會(huì)看到商業(yè)普及的太陽(yáng)能電池，甚至是靈活的有機(jī)太陽(yáng)能電池。事實(shí)是，地球沐浴在自由的太陽(yáng)能中，足以運(yùn)行我們當(dāng)前的文明。很難想象，在未來(lái)，收集這些能源不會(huì)成為我們能源基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分。它可能最終會(huì)達(dá)到這樣的程度：大部分產(chǎn)品都覆蓋著廉價(jià)、輕薄、靈活的太陽(yáng)能收集材料。任何使用能源的東西都會(huì)從太陽(yáng)那里獲得自由能源，至少可以補(bǔ)充它的需求。當(dāng)然，這需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，但我們正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

博科園-科學(xué)科普｜文:?Steven Novella/theness

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