編譯 胡德良

未來的摩天大樓將通過光伏窗收集太陽能。

帕帕康斯坦提諾自問自答道：“他們用這些綠色玻璃表面做什么？沒有任何用處。他們是否曾經(jīng)將傳統(tǒng)的太陽能電池板安裝在上面了呢？從來沒有?！?/p>

許多人夢想著將玻璃面板轉(zhuǎn)化為可以直接整合到建筑中的光伏模塊，既能作為裝飾也可以用于透視。帕帕康斯坦提諾是其中之一，正如許多集團和公司所做的一樣，他的實驗室正在利用不同的方法開發(fā)太陽能窗，有些公司已經(jīng)將太陽能窗安裝到建筑物上。

這顯然很有吸引力。這種太陽能窗會不知不覺地為整棟建筑提供能源，同時能夠使居住者望見窗外的街道、享受自然光線、觀賞高處飄過的云朵。

弗里多尼亞集團表示：到2020年，在全世界范圍內(nèi)，每年將要安裝83億平方米的平板玻璃。這么大的面積，如果在理想的方向上用標準太陽能電池板覆蓋，高峰期產(chǎn)出的功率將會超過1太瓦，在1年的時間里將會產(chǎn)出大約2 190太瓦時的電量，占2016年全世界耗電量的9%。如果在2017年用這些能源替代煤炭的話，就能夠?qū)⒒剂咸寂欧?、工業(yè)碳排放以及森林和土地使用變化所帶來的碳排放減少1.6%。

強大的監(jiān)管力量正在促使太陽能窗及其所帶來的環(huán)境效益變?yōu)楝F(xiàn)實。歐盟發(fā)出指令性要求，到2020年年底，所有的新建筑都要達到“接近零能耗”標準。福島第一核電站的核災難之后，日本要求所有新建公共建筑物在2020年前都要實現(xiàn)零能耗。

太陽能窗永遠都不會像傳統(tǒng)太陽這是從倫敦大學學院愛俄尼斯·帕帕康斯坦提諾（Ioannis Papakonstantinou）辦公室所看到的景象，這里提供了關于浪費機會的很好視角。他指向大學醫(yī)院大樓，這是一座高大的長方形建筑，鑲嵌著裝飾性的綠色玻璃條塊。這些玻璃條塊看起來很具現(xiàn)代氣息，但是沒有任何用處，甚至連透光功能都沒有能電池板那樣高效，當然是因為窗戶必須保持至少部分透明。然而，太陽能窗能夠創(chuàng)造出小型光伏電源組成的龐大網(wǎng)絡。開發(fā)商認為，太陽能窗在能耗方面節(jié)省的錢能夠抵消安裝費用。

意大利羅馬大學的托馬斯·布朗（Thomas Brown）曾經(jīng)開發(fā)過太陽能窗，據(jù)他講，成本差異已經(jīng)很小了。他說：往窗戶材料上添加發(fā)電組件，在不到10年的時間里就能收回成本。現(xiàn)在有各種技術，每一項技術的成本和特點有所不同。因此，目前正在進行的開發(fā)工作將會決定一項技術是否會被廣泛采用，一旦被廣泛采用，也就確定了諸多方法中的哪一種將會占有主導地位。

在1954年，美國電話電報公司（AT＆T）的貝爾電話實驗室推出了基于硅的技術，使光伏電池實現(xiàn)了商業(yè)化。當今，屋頂太陽能電池板仍常常使用這種電池。當光子擊中硅晶格中的電子時，電子被推入更高的能級，留下帶正電的空穴，然后電子和空穴朝相反的方向移動，通過硅層移向電池的電極，產(chǎn)生電流。

從理想的角度來講，標準的太陽能電池板可以獲取每個光子。然而，代替窗戶的太陽能電池板只有吸收特定的光子才會有用，特別是吸收紫外波長和紅外波長的光子。紫外光子可以使顏色淡化，而且對人體有害；紅外光子會升高室內(nèi)溫度。為了阻擋這些光子，通常會給正常的窗玻璃加上低輻射涂層，但是這種涂層也會阻擋至少10%的入射可見光。太陽能外層可以利用這些通常被阻擋的頻段來發(fā)電。

UbiQD公司的玻璃原型使用量子點技術，照射到玻璃上的光線側(cè)向分流到框架中的太陽能電池中

這種易彎曲的發(fā)光太陽能聚光器是倫敦大學學院制造的，可以將光線導向安裝太陽能電池的邊緣處，這種技術可以用來改進太陽能窗和光伏發(fā)電的其他應用

但是，要將發(fā)電組件裝入窗戶是有難度的，通常窗戶也必須要符合嚴格的穩(wěn)定性標準，這些挑戰(zhàn)為太陽能窗的生產(chǎn)和銷售帶來了困難。

新墨西哥州UbiQD公司執(zhí)行總裁亨特·麥克丹尼爾（Hunter McDaniel）深信，其公司的技術在這些領域擁有關鍵的優(yōu)勢。公司名稱中的“QD”代表量子點（quantum dot），這是一種半導體納米晶體。量子點可以發(fā)出熒光，對輻射做出響應后重新發(fā)光，屬于一類被稱為“熒光基團”的物質(zhì)，廣泛用于生化物質(zhì)標記領域。

量子點也可以嵌入太陽能窗內(nèi)的透明材料中，以形成發(fā)光太陽能聚光器（LSC）。LSC捕獲窗玻璃內(nèi)的光，然后將其重新定向到安裝在邊緣上的非透明太陽能電池中。吸收入射光線后，熒光基團重新發(fā)出一種不同顏色的光，這種光在窗戶表面之間跳動，通往太陽能電池，而不會逃逸或被其他量子點吸收。其他一些企業(yè)，包括米蘭的玻璃電能公司和荷蘭代爾夫特的Physee公司在內(nèi)，也采用了這種方法。

效果最佳的量子點具有很高的量子產(chǎn)率，能夠重新釋放所吸收的大量光線，釋放比例隨著光色的不同而有所變化。麥克丹尼爾說：UbiQD公司創(chuàng)造了紅外量子點熒光基團，能夠形成“色彩中性”的LSC，這種LSC使透過窗戶所看到的物品在顏色上不會發(fā)生改變，同時具有80%的量子產(chǎn)率。對于可見光熒光基團來說，量子產(chǎn)率高達95%。麥克丹尼爾宣稱：“甚至，根本沒有其他方法能夠接近這一量子產(chǎn)率?！?/p>

包括帕帕康斯坦提諾在內(nèi)的許多競爭者使用有機染料分子作為熒光基團，但是麥克丹尼爾說這些燃料不是特別穩(wěn)定。他說：“將一張報紙放到陽光下，觀察一下油墨褪色有多快，你就明白了?！丙溈说つ釥柭暦Q，在太陽能窗中使用有機光伏電池（OPV）會經(jīng)歷同樣的分解過程，造成穩(wěn)定性問題。

麥克丹尼爾和帕帕康斯坦提諾都承認LSC技術仍處于早期研究階段。美國國家可再生能源實驗室（NREL）光伏專家莎拉·庫爾茨（Sarah Kurtz）對這個觀點進行了回應，她說：“我還沒有看到任何有關這些技術正在投入大規(guī)模生產(chǎn)的報道。”

相比之下，經(jīng)過了十年多的開發(fā)之后，馬里蘭州的太陽能窗技術公司于2017年8月簽署了一項合同，開始制造OPV技術產(chǎn)品。

太陽能窗公司最先進的工藝為：將液體噴涂到玻璃上，形成具有多個夾層的固態(tài)有機聚合物。中間的夾層是由電子和空穴隔離的聚合物吸收層，其他聚合物層幫助電子和空穴向其電極移動。

2017年太陽能窗公司將其噴涂工藝授予一家總部位于洛杉磯的制造商：三視窗玻璃產(chǎn)業(yè)公司。目前，太陽能窗公司已經(jīng)籌集了購置合作設備所需的資金，但是公司還沒有透露何時開始出售基于這種技術的太陽能窗，也沒有透露這種產(chǎn)品的價格。然而，據(jù)弗里多尼亞集團報道，太陽能窗公司的執(zhí)行總裁約翰·康克林（John Conklin）宣稱：公司承諾價格會接近標準窗，每平方米的持續(xù)隔熱窗售價大約為500美元。

太陽能窗公司的另外一個目標是：使玻璃窗透射高達85%的可見光，同時阻擋紅外線和紫外線。準確的透明度、顏色和色調(diào)將會決定功率輸出情況，太陽能窗公司還沒有準備透露相關的情況。

但是，估計功率輸出情況并不困難。通常，每平方米大約有1 000瓦特太陽能照射在地球表面。如果一扇太陽能窗透明度為50%，那么它每平方米將會吸收500瓦特，有機光伏電池的效率（光能轉(zhuǎn)換為電能的百分比）最高為11.5%。如果太陽能窗公司能夠提供10%的效率，那么1平方米的太陽能窗峰值輸出將是50瓦特，足以為8個手機充電器提供電能。

英國劍橋市IDTechEx公司技術分析師何小希（Xiaoxi He）警告說：OPV面板越大，就越有可能顯現(xiàn)出性能差的缺陷。她說：“在大面積的窗子上，可能僅僅達到2%至5%的效率?！彼€說道：穩(wěn)定性也是有問題的，實驗室的結果表明，在理想的情況下，使用當今材料的OPV窗只能運行7年或8年。

IDTechEx公司的何小希指出：為了將透明的OPV涂層玻璃推向市場，總部位于加州的普遍能源公司正在跟太陽能窗公司進行競爭。但是她認為：要想達到效率目標和擴大生產(chǎn)規(guī)模是具有挑戰(zhàn)性的，因此這些公司的商業(yè)化努力尚處于最初期的階段。

人們對一種最新型的光伏材料——鈣鈦礦——感到興奮，這是一種有機物和無機物的混合材料。同樣，商業(yè)化前景問題使人們的興奮度有所降低。

在西班牙薩拉曼卡市貝雅德市場的屋頂上，奧尼克斯太陽能公司透明度為20%的光伏玻璃模塊形成馬賽克，峰值功率輸出為4.1千瓦

西班牙巴利亞多利德大學露西亞大樓的這個天窗可以實現(xiàn)建筑物的自然采光，同時每年發(fā)電高達5 550千瓦時

這項技術類似于OPV技術，只是這里的中間夾層由鈣鈦礦構成，而不是太陽能窗公司使用的聚合物。然而，跟聚合物吸收器不同，鈣鈦礦是半導體，這意味著其自身可以傳輸電子，從而可以壓縮或排除夾層中的其他層。鈣鈦礦的這種性能以及鈣鈦礦設備容易制造，幫助這類產(chǎn)品提高了效率，從2009年的3.8%提高到了目前的22.7%。

鈣鈦礦對潮氣很敏感，但是英國創(chuàng)業(yè)公司——牛津光伏公司稱，該公司開發(fā)的產(chǎn)品降低了配方的敏感性，并將其緊緊密封，從而解決了這個問題。牛津光伏公司一直致力于太陽能窗的開發(fā)，但是現(xiàn)在公司打算將其最先進的防潮產(chǎn)品僅用在常規(guī)太陽能電池板上。牛津光伏公司將半透明的鈣鈦礦層放置于標準的6英寸太陽能硅電池前面，這樣生產(chǎn)出來的“串聯(lián)電池”效率為25%。

牛津光伏公司的這些太陽能電池原型具有不同的顏色，這表明調(diào)整鈣鈦礦組分、使其吸收不同的波長有多么容易

牛津光伏公司首席技術官克里斯·凱斯說：“我擔心的是，建筑一體化光伏產(chǎn)品的開發(fā)需要很長的時間，我們可能會感到難以承受?！彼f，就像任何新材料一樣，從1平方厘米的研究電池到生產(chǎn)出足夠均勻的600毫米×1 200毫米的太陽能窗，還有許多工作要做。因此，牛津光伏公司想要利用較小的硅電池完善其技術，希望日后能夠應用到較大的窗口上。

目前，牛津光伏公司原型鈣鈦礦電池的效率略低于20%。凱斯說，該公司正在與一家企業(yè)合作，但并未提及這家企業(yè)的名稱，該企業(yè)可望于2019年將串聯(lián)電池提供給客戶。在凱斯的發(fā)展藍圖上，完整的鈣鈦礦電池，包括太陽能窗在內(nèi)，還要晚幾年才能面世。

國家可再生能源實驗室的庫爾茨稱，隨著小型器件的效率仍在上升，鈣鈦礦技術進展順利。她說：“我們希望鈣鈦礦技術能夠取得巨大成功，但是我還沒有看到大面積設備的相關數(shù)據(jù)，沒有資料表明鈣鈦礦技術超越了更加成熟的技術所表現(xiàn)出的性能。我認為，在利用該技術投入大規(guī)模生產(chǎn)之前，仍然需要做一些研究工作。”

不管是完全有機的涂層還是其他技術，凱斯并不在乎哪一項技術可能會更加接近商業(yè)化。事實上，如果他的競爭企業(yè)搶先解決了基本的監(jiān)管、建筑和實際挑戰(zhàn)，他也會拍手稱快。他說：“我們的材料應該優(yōu)于其他任何技術。”或許，他能夠?qū)崿F(xiàn)自己的愿望，因為至少有一家公司已經(jīng)為建筑承包商提供透明太陽能電池了。

我在倫敦辦公樓的一樓，注視著七樓的光伏天窗，我看到在一體化過程中遇到的一些實際挑戰(zhàn)。窗面產(chǎn)能區(qū)中間的顏色顯得比周邊的玻璃更深，使其更加顯眼。

牛津光伏公司首席技術官克里斯·凱斯（Chris Case）手拿一個剛剛從公司試驗性裝配線上下線的串聯(lián)太陽能硅電池片，該電池片采用了鈣鈦礦涂層

這個16米×8米的系統(tǒng)是由西班牙奧尼克斯太陽能公司生產(chǎn)的，該公司利用激光在太陽能板上刻出圖案，使其更加透明，將薄膜太陽能硅電池板變?yōu)楣夥齑?。奧尼克斯太陽能公司執(zhí)行總裁阿爾瓦羅·貝爾特朗（lvaro Belt）解釋說：“我們通過激光劃片技術去除不透明的硅層和后接點?！痹摴镜漠a(chǎn)品透明度范圍在不透明到30%透明之間，相比之下，多數(shù)太陽鏡的透明度在18%到45%之間。

建筑承包商麥克拉倫建筑集團項目經(jīng)理加文·特恩布爾（Gavin Turnbull）解釋說，我所在的那棟樓利用的是透明度為20%的產(chǎn)品。我和特恩布爾乘坐電梯來到天窗的正下面，在那里我正好可以看出橫跨玻璃的長方形微型太陽能電池。在周圍的邊緣上，一條導電的鋁帶將電池連接起來，隱藏于光伏板之間的橫梁中，其中還隱藏著更加傳統(tǒng)的布線。

特恩布爾說：從根本上來講，安裝天窗很簡單。然而，關于如何在光伏板內(nèi)布線，跟奧尼克斯公司的溝通引起了爭執(zhí)：該天窗最初產(chǎn)生的電能在電壓上比預期要高得多。我參觀之后大約一個月，工作人員解決了這個問題，目前該系統(tǒng)運行正常。

露西亞大樓的這個圖片顯示了光伏天窗的照明效果多么自然

自從奧尼克斯公司的工廠于2015年開放以來，其光伏板已經(jīng)安裝在一些高規(guī)格建筑中，邁阿密熱隊的籃球館也安裝了該公司的光伏板。奧尼克斯公司聲稱，在一年之內(nèi)就能夠?qū)惭b費用節(jié)省出來。目前，該公司正在制造5 500多平方米的半透明光伏玻璃，貝爾特朗稱這將是世界上最大的光伏天窗。鑒于該技術利用硅的傳統(tǒng)，這種天窗將會適時地安裝于新澤西州霍姆德爾市的貝爾-沃克斯大樓上。

據(jù)貝爾特朗說，這種天窗的價格比傳統(tǒng)的低輻射玻璃僅僅高出10%。例如：在紐約市，安裝3 400平方米透明度為10%的天窗，每平方米的費用大約為172美元。然而，考慮到激勵措施后，額外的費用將會降低，僅為48美元。貝爾特朗聲稱，考慮到這樣的天窗每天平均發(fā)電380千瓦時，這筆花費在兩年之內(nèi)即可收回。

為了在倫敦長瑟里巷25號至32號安裝光伏天窗，奧尼克斯太陽能公司將這種粗糙的網(wǎng)格刻進薄膜硅面板中

對此，國家可再生能源實驗室的庫爾茨感到具有不確定性。她提醒道：“要想評估這些特定的產(chǎn)品是否真正為改變世界做好了準備，我們應該詢問一下投資回報時間是如何計算的。投資回報時間短就可能意味著他們已經(jīng)取得了突破性進展，這是令人興奮的。不然的話，這可能意味著他們找到了一家樂意支付高價的客戶單位，這里的高價是相對于非太陽能產(chǎn)品來說的。”

雖然一些新型建筑已經(jīng)使用類似奧尼克斯公司的產(chǎn)品通過天窗和窗戶來發(fā)電了，但是對現(xiàn)有的建筑進行改造必然會困難得多，成本也要高得多。然而，我們再回到帕帕康斯坦提諾的辦公室，他把自己團隊研制的一款LCS產(chǎn)品：一片橙色的方形塑料板裝進一扇窗戶上。

當把塑料板貼到那里時，我看到LSC的聚光效果使得周圍邊緣上的光亮度顯得比板面上更亮。帕帕康斯坦提諾說：“如果我們想要把這項技術商業(yè)化，我們可以將現(xiàn)有大型建筑的窗面改造成發(fā)電窗?！眰惗卮髮W學院畢業(yè)生馬克·波特諾伊（Mark Portnoi）利用這種材料制作了一個250毫米×250毫米的光伏原型，將其整合到商業(yè)電池中，在2017年3月份舉行的倫敦生態(tài)建筑大會上展出。

正如庫爾茨所說，這種產(chǎn)品也可以應用在許多日常用品中，如用在汽車、電腦和手機中，庫爾茨稱之為“物體上的光伏發(fā)電”。對于帕帕康斯坦提諾的技術以及牛津光伏公司、太陽能窗公司和UbiQD公司來說，這些應用是很重要的備用。

西班牙格拉納達的珍優(yōu)大樓安裝了550平方米的光伏玻璃，透明度為20%

這些公司很可能需要這種備用技術。奧尼克斯公司已經(jīng)有一批成功的安裝作為支撐，該公司在早期商業(yè)推廣方面已經(jīng)處于領先地位。另一方面，由于激光刻蝕使硅面板透明的程度受到限制，該公司可能不會占有廣泛的市場，除非公司能夠進行革命性的創(chuàng)新。

因此，在真正的太陽能窗技術領域仍然存在競爭。即使最有希望的競爭企業(yè)——牛津光伏公司，憑借其鈣鈦礦技術，仍需在幾年之后才能推出太陽能窗產(chǎn)品，UbiQD公司和帕帕康斯坦提諾的LSC技術也是如此。太陽能窗公司的OPV技術有可能在今年推向市場，如果真的是這樣，該公司仍然必須使人們相信其技術已經(jīng)真正足夠成熟。

幸運的是，這個過程已經(jīng)持續(xù)了20多年。20世紀90年代，建筑大師諾曼·福斯特爵士（Sir Norman Foster）使用了一種創(chuàng)新的非光電的“光雕”技術，使柏林的國會大廈成為世界上首批零能耗建筑之一。至于為什么我們需要這種創(chuàng)新，他所說的話已經(jīng)引起了廣泛的共鳴，而且強調(diào)了為什么太陽能窗戶會變得如此重要。福斯特宣稱：“太陽能建筑不是關乎時尚，而是關乎生存?！?/p>