充滿希望的太陽能窗技術

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。他們是否曾經將傳統的太陽能電池板安裝在上面了呢？從來沒有。”

許多人夢想著將玻璃面板轉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太陽能窗，有些公司已經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，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，高峰期產出的功率將會超過1太瓦，在1年的時間里將會產出大約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，就能夠將化石燃料碳排放、工業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%。

強大的監管力量正在促使太陽能窗及其所帶來的環境效益變為現實。歐盟發出指令性要求，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年前都要實現零能耗。

太陽能窗永遠都不會像傳統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，太陽能窗能夠創造出小型光伏電源組成的龐大網絡。開發商認為，太陽能窗在能耗方面節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）曾經開發過太陽能窗，據他講，成本差異已經很小了。他說：往窗戶材料上添加發電組件，在不到10年的時間里就能收回成本。現在有各種技術，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，使光伏電池實現了商業化。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向分流到框架中的太陽能電池中

這種易彎曲的發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電的其他應用

但是，要將發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定性標準，這些挑戰為太陽能窗的生產和銷售帶來了困難。

新墨西哥州UbiQD公司執行總裁亨特·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。量子點可以發出熒光，對輻射做出響應后重新發光，屬于一類被稱為“熒光基團”的物質，廣泛用于生化物質標記領域。

量子點也可以嵌入太陽能窗內的透明材料中，以形成發光太陽能聚光器（LSC）。LSC捕獲窗玻璃內的光，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，包括米蘭的玻璃電能公司和荷蘭代爾夫特的Physee公司在內，也采用了這種方法。

效果最佳的量子點具有很高的量子產率，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生改變，同時具有80%的量子產率。對于可見光熒光基團來說，量子產率高達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率。”

包括帕帕康斯坦提諾在內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。”麥克丹尼爾聲稱，在太陽能窗中使用有機光伏電池（OPV）會經歷同樣的分解過程，造成穩定性問題。

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模生產的報道。”

相比之下，經過了十年多的開發之后，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：三視窗玻璃產業公司。目前，太陽能窗公司已經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，也沒有透露這種產品的價格。然而，據弗里多尼亞集團報道，太陽能窗公司的執行總裁約翰·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。”她還說道：穩定性也是有問題的，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規模是具有挑戰性的，因此這些公司的商業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建筑物的自然采光，同時每年發電高達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，但是英國創業公司——牛津光伏公司稱，該公司開發的產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，但是現在公司打算將其最先進的防潮產品僅用在常規太陽能電池板上。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，這樣生產出來的“串聯電池”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，建筑一體化光伏產品的開發需要很長的時間，我們可能會感到難以承受。”他說，就像任何新材料一樣，從1平方厘米的研究電池到生產出足夠均勻的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合作，但并未提及這家企業的名稱，該企業可望于2019年將串聯電池提供給客戶。在凱斯的發展藍圖上，完整的鈣鈦礦電池，包括太陽能窗在內，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據，沒有資料表明鈣鈦礦技術超越了更加成熟的技術所表現出的性能。我認為，在利用該技術投入大規模生產之前，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化。事實上，如果他的競爭企業搶先解決了基本的監管、建筑和實際挑戰，他也會拍手稱快。他說：“我們的材料應該優于其他任何技術。”或許，他能夠實現自己的愿望，因為至少有一家公司已經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。窗面產能區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米的系統是由西班牙奧尼克斯太陽能公司生產的，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為光伏天窗。奧尼克斯太陽能公司執行總裁阿爾瓦羅·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。”該公司的產品透明度范圍在不透明到30%透明之間，相比之下，多數太陽鏡的透明度在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布線，跟奧尼克斯公司的溝通引起了爭執：該天窗最初產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，其光伏板已經安裝在一些高規格建筑中，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，在一年之內就能夠將安裝費用節省出來。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，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。

據貝爾特朗說，這種天窗的價格比傳統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電380千瓦時，這筆花費在兩年之內即可收回。

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品來說的。”

雖然一些新型建筑已經使用類似奧尼克斯公司的產品通過天窗和窗戶來發電了，但是對現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化，我們可以將現有大型建筑的窗面改造成發電窗。”倫敦大學學院畢業生馬克·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，將其整合到商業電池中，在2017年3月份舉行的倫敦生態建筑大會上展出。

正如庫爾茨所說，這種產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。奧尼克斯公司已經有一批成功的安裝作為支撐，該公司在早期商業推廣方面已經處于領先地位。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——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真正足夠成熟。

幸運的是，這個過程已經持續了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新，他所說的話已經引起了廣泛的共鳴，而且強調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。”