玻璃窗能發(fā)電？量子點嵌入太陽能窗的透明材料中，形成發(fā)光太陽能集中器

從倫敦大學學院揚尼斯?帕帕康斯坦丁努（Ioannis Papakonstantinou）的辦公室向外看，滿目皆是被錯失的良機。他指向大學醫(yī)院，一座長方形的高樓，外面覆蓋著裝飾性的綠色長條玻璃。這些玻璃雖然看起來很現(xiàn)代，但卻毫無用處，甚至光線都無法透過。

“他們用這些綠色的玻璃表面做什么？”他問，“什么都不做。你會在那里放一塊傳統(tǒng)的太陽能電池板嗎？絕不會?！?/p>

很多人夢想著把玻璃面板轉變?yōu)榭芍苯诱显诮ㄖ械墓夥K，既可以裝飾，又能夠透光，帕帕康斯坦丁努就是其中之一。他的實驗室與許多研究團隊與公司做著同樣的事情：用多種不同方法開發(fā)太陽能窗；有些已經將太陽能窗安裝在了建筑上。

吸引他們的原因是顯而易見的。這些窗戶能夠不露聲色地為建筑物發(fā)電，同時建筑內的住戶也可以透過窗戶看到街上的場景，享受自然光，或是觀看頭頂上飄過的云朵。

弗里多尼亞（Freedonia）集團表示，到2020年，全球每年將在新建筑上安裝平板玻璃83億平方米。在同樣的面積下，如果以理想的方式敷設標準太陽能電池板，將能夠產生超過1太瓦的峰值電量輸出，1年的時間，可產生大約2190太瓦時的電能。這相當于2016年全世界年用電量的9%。如果在2017年用這些能源代替煤炭，將減少由化石燃料、工業(yè)以及林業(yè)與土地利用變化產生的碳排放的1.6%。

強大的監(jiān)管力量正將太陽能窗及其環(huán)境效益推進現(xiàn)實。歐盟一項指令要求到2020年年底，所有新建筑都須達到“接近零能耗”標準。日本在福島第一核電站事故之后，已經進一步要求所有新的公共建筑到2020年達到零能耗標準。

太陽能窗永遠不會像傳統(tǒng)太陽能電池板一樣高效，因為窗戶必須保持至少部分透明。但它們可以創(chuàng)造出一個由小型光伏能源組成的龐大網絡。開發(fā)者們認為，這類窗戶通過節(jié)能所節(jié)省的資金，可以補償其安裝成本。

意大利羅馬大學的托馬斯?布朗（Thomas Brown）曾開發(fā)過太陽能窗，他說，成本差異已經相當小。他表示，在窗戶材料中添加發(fā)電組件的成本，不到10年即可收回。而且當前有各種各樣的技術，每種技術的成本和特點都不同。因此現(xiàn)在正在進行的開發(fā)將決定該技術能否成功，以及如果成功，在眾多方法中哪種方法將占據主導地位。

AT&T貝爾電話實驗室在1954年公開其硅基技術時，實現(xiàn)了光伏電池的商業(yè)化。如今的屋頂太陽能電池板通常仍使用這種電池。當受到光子撞擊時，硅晶格中的電子被推入到更高的能級中，留下攜帶正電荷的空穴。電子和空穴通過硅層以相反方向移向電池的兩極，從而產生電流。

理想情況下，一塊標準的太陽能電池板能夠捕獲每一個光子。然而，兼作窗戶的太陽能電池板則只吸收某些特定波段的光子——特別是紫外線波段（會使物體褪色并對人體有害）和紅外波段（會使室溫升高）的光子。為了阻止這些光子進入，普通的窗玻璃通常涂覆低輻射涂層，從而阻止至少10%的可見光進入。而太陽能涂層則可以利用這些被阻擋在外的波段來發(fā)電。

然而，在窗戶中集成發(fā)電組件是非常困難的。一般來說，窗戶也必須符合嚴格的穩(wěn)定性標準。這些挑戰(zhàn)使太陽能窗很難生產和銷售。

新墨西哥州UbiQD公司的首席執(zhí)行官亨特·麥克丹尼爾（HunterMcDaniel）確信，他公司的技術在這些領域中具有關鍵優(yōu)勢。公司名稱中的“QD”代表量子點，是一種半導體納米晶體。量子點能夠發(fā)出熒光，在受到輻射時會重新發(fā)出光線；它們屬于被稱作熒光分子的一類物質，廣泛應用于生物化學物質標記中。

量子點也可以嵌入太陽能窗的透明材料中，形成發(fā)光太陽能集中器（LSC）。發(fā)光太陽能集中器捕獲窗玻璃內的光線，然后將其重新折射到豎立在玻璃一側邊緣的不透明太陽能電池上。在吸收入射光線后，熒光分子再發(fā)出另外一種顏色的光，在窗戶表面和太陽能電池之間反射，而不會發(fā)散出去或被其他量子點再吸收。位于米蘭的Glassto Power和位于荷蘭代爾夫特的Physee等其他公司也使用這種方法。

最好的量子點有著很高的量子產出——它們將所吸收的一部分光線重新發(fā)射出去，比例隨著光線顏色的變化而不同。麥克丹尼爾稱，UbiQD公司已經創(chuàng)建了紅外量子點熒光分子，能夠使“無色”發(fā)光太陽能集中器成為可能，且不會改變通過窗戶看到的物體顏色，量子產率達80%。對于可見光熒光分子，量子產率達95%。“其他技術根本無法接近這一產率。”麥克丹尼爾堅持說。

包括帕帕康斯坦丁努在內的大部分競爭者都采用有機染料分子作為熒光分子，然而麥克丹尼爾認為，這些染料并不是特別穩(wěn)定?！鞍岩粡垐蠹埛旁谔栂拢^察一下墨水的褪色速度有多快就知道了?！彼f。麥克丹尼爾表示，同樣的分解過程也會導致使用有機光伏（OPV）的太陽能窗出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。

麥克丹尼爾和帕帕康斯坦丁努都承認發(fā)光太陽能集中器技術目前尚處于早期的研究階段。位于科羅拉多州的美國國家可再生能源實驗室（NREL）的光伏專家莎拉·庫爾茨（SarahKurtz）也贊同這一觀點?！拔疫€沒看到過表明它們將進行大規(guī)模生產的相關報道。”她說。

相比之下，馬里蘭州的太陽能窗科技公司經過10多年的產品開發(fā)，在2017年8月簽署了一份生產有機光伏技術產品的合同。

太陽能窗科技公司最先進的工藝是將液體噴射到玻璃上，在玻璃上形成多層三明治結構的固體有機聚合物。中心填充物是吸收體聚合物層，分離了電子與空穴。其他聚合物層則能夠幫助電子和空穴向電極移動。

2017年，太陽能窗科技公司將其噴射涂層工藝授權給位于洛杉磯的制造商TriviewGlass 工業(yè)公司。太陽能窗科技公司已經籌集了用于合作的設備資金，但沒有透露何時將出售基于該項技術的窗戶以及生產成本。然而，太陽能窗科技公司的首席執(zhí)行官約翰·康克林（JohnConklin）堅持說，他的公司承諾要接近標準窗戶的價格——根據弗里多尼亞集團的說法，能持續(xù)隔熱的窗格玻璃的價格約為每平方米500美元。

太陽能窗科技公司的另一個目標是使窗戶允許高達85%的可見光透過，同時阻止紅外線和紫外線的進入。精確的透明度、顏色和色調將決定功率輸出，而這一點太陽能窗科技公司尚未準備披露。

但估計功率輸出其實并不難。通常情況下，地球表面對太陽能的吸收功率約為每平方米1000瓦。如果一個太陽能窗的透明度是50%，那它的吸收功率為每平方米500瓦。有機光伏電池光電轉換效率的最高紀錄是11.5%。如果太陽能窗科技公司產品的效率能夠達到10%，則1平方米窗戶的峰值輸出功率將達到50瓦，差不多可為8個手機充電器供電。

位于英國劍橋的IDTechEx公司的技術分析師何小希（XiaoxiHe，音）提醒說，有機光伏面板越大，性能降低的可能性就越大。她說：“一扇大窗戶的效率可能只有2%～5%?！?她補充說，穩(wěn)定性也是一大問題，實驗室結果顯示，使用當前材料的有機光伏窗戶“在理想狀況下”的使用壽命可能只有七八年。

何小希指出，位于加州的UbiquitousEnergy公司正在和太陽能窗科技公司競爭，將透明的有機光伏涂層玻璃推向市場。但她認為，因為實現(xiàn)效率目標和擴大生產都存在挑戰(zhàn)，因此各公司的商業(yè)化努力仍然處于“一個非常初期的階段”。

對商業(yè)化前景的疑問也中和了一種全新的光伏材料——鈣鈦礦，一種雜化有機-無機物質——給人們帶來的興奮。

該技術與有機光伏技術類似，但在三明治結構的中間層中填充的是鈣鈦礦，而不是太陽能窗科技公司所使用的聚合物。與聚合物吸收體不同的是，鈣鈦礦是半導體，本身能夠傳輸電子，這樣有可能減少或消除三明治結構中的其他層。這種特性連同鈣鈦礦材料更易于制造的實際情況，使其轉換效率從2009年的3.8%提升至22.7%。

鈣鈦礦對濕度極為敏感，但英國初創(chuàng)公司牛津光伏（OxfordPV）稱，他們已經開發(fā)出不那么敏感的配方，并通過緊密的封裝解決了這個問題。牛津光伏一直從事太陽能窗的研發(fā)，但現(xiàn)在公司只打算將其最先進的防潮產品應用在普通的太陽能電池板上。他們在標準的6英寸硅太陽能電池前放置了一層半透明的鈣鈦礦層，制作出了效率達25%的“疊層電池”。

“我擔心集成光伏產品的建筑到來的時間會超出我們能夠承受的范圍?！迸＝蚬夥镜氖紫夹g官克里斯·凱斯（ChrisCase）說。他表示，就像許多新材料一樣，從1平方厘米的研究型電池到批量生產600毫米×1200毫米的統(tǒng)一規(guī)格的窗戶，還有“大量工作”要做。牛津光伏希望先完善小型硅電池技術，以便日后可以應用在更大的窗戶上。

當前，牛津光伏的鈣鈦礦電池原型的效率略低于20%。凱斯說，公司正與一家合作伙伴（未透露名稱）進行合作，該合作伙伴預計在2019年向客戶提供疊層電池。在他規(guī)劃的路線圖上，全鈣鈦礦電池會在那之后再過幾年出現(xiàn)，或許還包括太陽能窗。

美國國家可再生能源實驗室的庫爾茨稱，鈣鈦礦技術進展順利，小型設備的效率仍在提升。“我們希望他們正在邁向更大的成功，但我還沒有見到大面積設備的性能超出現(xiàn)有技術的數據。”她說，“我認為在準備大規(guī)模投產前，他們還有一些工作要做?！?/p>

凱斯并不在意是全有機涂層還是其他技術最先實現(xiàn)商業(yè)化。事實上，如果競爭對手率先解決了監(jiān)管、建筑設計和實用性這些基本的挑戰(zhàn)，他也會同樣歡迎?！白罱K，我們的材料會勝過任何其他技術?！彼f。他或許可以如愿以償，因為至少有一家公司已經在為建筑承包商提供透明的太陽能電池了。

我在倫敦一棟寫字樓的底層，注視著樓上7層的光伏天窗。我發(fā)現(xiàn)集成方面的一些實際挑戰(zhàn)正在得到解決?？梢院苊黠@地看到，窗格中間的發(fā)電區(qū)域看起來比周圍的玻璃暗一些。

這個16米×8米的系統(tǒng)由西班牙Onyx太陽能公司生產。Onyx用激光將圖案蝕刻進光伏面板中，使其更加透明，將薄膜硅太陽能板變成光伏天窗。“我們通過激光光刻，移除了不透明硅層和后接點?！監(jiān)nyx的首席執(zhí)行官阿爾瓦羅·貝爾特蘭（álvaro Beltrán）解釋道。公司擁有從不透明到30%透明度不等的產品。相比之下，大部分太陽鏡的透明度為18%到45%。

我所在的建筑使用的是透明度為20%的產品，為建筑承包商邁凱輪集團服務的項目經理加文·特恩布爾（GavinTurnbull）解釋道。特恩布爾和我乘電梯來到天窗正下方，在那里我可以看到玻璃上微型矩形太陽能電池的輪廓線。在其邊緣周圍，一條導電鋁帶把它們連接起來，而后消失在面板之間的過梁后，更多的傳統(tǒng)配線也隱藏在那里。

特恩布爾說，安裝天窗很容易。然而，與Onyx探討如何為面板接線則頗具挑戰(zhàn)性：天窗最初的發(fā)電電壓遠高于預期。在我來訪大約1個月后，工人們才解決了這個問題，系統(tǒng)現(xiàn)在運行正常。

Onyx的工廠自2015年投入運營以來，已經在一些高端建筑中安裝了太陽能板，包括邁阿密熱火隊的籃球館。Onyx聲稱，產品安裝后，可在不到1年的時間里收回成本。公司現(xiàn)在正在制造超過5500平方米的半透明光伏玻璃，貝爾特蘭稱這將是世界上最大的光伏天窗。考慮到該技術與硅技術之間的傳承性，把它安裝在重建于新澤西州霍姆德爾的貝爾工程大樓內再合適不過。

貝爾特蘭還表示，這種太陽能窗的成本僅比傳統(tǒng)的低輻射玻璃高10%。例如，在紐約市，10%透明度、3400平方米天窗的額外安裝成本大約是每平方米172美元。不過，如果將激勵措施考慮在內，額外安裝成本將降至48美元。貝爾特蘭稱，鑒于天窗平均每天380千瓦時的電力產能，該成本能夠在兩年內收回。

美國國家可再生能源實驗室的庫爾茨則沒有這么肯定?！盀榱嗽u估這些特定產品是否準備好改變世界，我們應該問清楚投資回收期是如何計算的。”她提醒說，“回收（期）短可能表示他們已經取得了突破，這非常令人興奮。但這也可能意味著他們發(fā)現(xiàn)了愿意支付高昂價格（與非太陽能產品相比）的客戶。”

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一些新建筑已經在其天窗和窗戶中應用了Onyx的產品，并產生了電力，而翻新現(xiàn)有的建筑則將更加困難，也更加昂貴。然而，回到帕帕康斯坦丁努的辦公室，他把一塊方形的橙色塑料貼在了窗戶上，這是他團隊自己研發(fā)的一款發(fā)光太陽能集中器。

將發(fā)光太陽能集中器貼在窗戶上后，由于集中效應，我看到窗戶邊緣的光線比其他部分的更明亮。帕帕康斯坦丁努說，“如果我們想把它商業(yè)化，我們可以將大型建筑的現(xiàn)有窗戶轉化為”發(fā)電的窗戶。畢業(yè)于倫敦大學學院的馬克·波特諾伊（MarkPortnoi）使用這種材料和集成的商業(yè)電池制作了一個250毫米×250毫米的原型，并在2017年3月倫敦新能源建筑展覽會上進行了展示。

這樣的產品也能被添加到很多日常用品中，如汽車、計算機和手機，庫爾茨稱之為“萬物光伏”。這些應用對帕帕康斯坦丁努的技術，以及牛津光伏公司、太陽能窗科技公司和UbiQD公司而言都是很重要的后方陣地。

并且他們也可能很需要這些后方陣地。依托一大批成功的安裝部署，Onyx已經一躍而出，處于早期商業(yè)化的領先地位。但在另一方面，除非進行革命性的創(chuàng)新，否則由于激光蝕刻技術對硅面板透明化程度的限制，公司可能無法享有廣泛的市場。

因此，真正的太陽能窗競賽仍在繼續(xù)，即使最有希望的競爭者——牛津光伏公司的鈣鈦礦技術——也仍需要數年的時間。UbiQD和帕帕康斯坦丁努的發(fā)光太陽能集中器的情況也是如此。太陽能窗科技公司的有機光伏技術可能會在今年上市，但即使果真如此，該公司也必須讓人們相信，它的技術確實已經足夠成熟了。

不過，帕帕康斯坦丁努援引歐洲最大建筑公司之一的一位匿名高級職員的話，表示如果能夠“贏得建筑師的心”，那么每一種方法都可能得到認可。

幸運的是，這個過程已經進行了20多年。20世紀90年代，建筑大師諾曼·福斯特（Norman Foster）爵士應用一項創(chuàng)新的“光雕刻家”技術（非光伏技術），使位于柏林的德國國會大廈成為世界上最早的零能耗建筑之一。對于我們?yōu)槭裁葱枰獎?chuàng)新，福斯特的話已經引起了廣泛而深遠的共鳴，同時也強調了太陽能窗如此重要的原因：“太陽能建筑與時尚無關，而與我們的生存息息相關?！?/p>