有機太陽能電池的突破，能否替代硅並大規模安裝？

展望未來50年到100年能源基礎設施是很有趣的，哪些技術將被證明是成本最高？碳排放效率最高的？當然，這可能是一個自我實現的預言——我們認為可行的技術將是投資和開發的技術。這就是為什麼我認為應該通過開發每一個可行的選項來對沖我們的賭注。核裂變能做到成本效益高嗎？核聚變會成為現實嗎？太陽能的效率有多高？以及哪種電網存儲方式最有效？儘管如此，我確實認為很明顯，太陽能將在我們的能源基礎設施中發揮越來越大的作用。

截至到2018年，太陽能僅佔美國能源產量的1.6%，但增長迅速。目前使用的大多數太陽能電池板都是硅基的。它們正在變得更便宜和更有效率，並且已經在大多數領域越過了成本效益的界限，並且在十年內應該在所有地方都達到成本效益。當然，太陽能是一種間歇性的能源，不是按需供應的。現在，只有這麼少的滲透，基本上可以把電網當做電池——當生產比你使用多的時候就把能量投入電網，當你需要的比生產的多的時候就從電網中獲取能量。

這就是為什麼凈計量法如此重要的原因——確保使用太陽能客戶對他們生產的過剩能源獲得充分的信用。這一策略將會奏效，直到我們達到20%的滲透率。然後，儲存將是必要的，以獲得更高水平的太陽能在混合。存儲可以是獨立的，就像家裡有一堵電源牆。也可以是由電力公司自己運營的大規模電網存儲。很可能在未來我們將兩者兼得。在我看來，我們究竟將為存儲做些什麼，是一個開放的技術問題。與此同時，太陽能光伏電池技術不斷進步將提高太陽能的使用量，這裡有三個主要競爭者：

第一種：是硅基剛性(晶圓基)太陽能電池。這類產品已經投入使用(約佔太陽能市場的95%)，而且每年都在穩步增加。這項技術也將受益於大規模生產的增加。

第二種：薄膜光電，它使用多種材料，但目前只佔市場的5%左右。然而，有一種基於鈣鈦礦的潛在新興技術，鈣鈦礦是一類豐富的材料，具有優異的太陽能電池甚至電池性能。鈣鈦礦薄膜太陽能電池板比矽片更便宜、更薄、更高效。然而有一個致命的缺陷——它們不穩定。隨著時間的推移，它們會很快分解。鈣鈦礦太陽能研究的重點是找到使其穩定的方法，同時又不會犧牲太多的好處，在其他技術使其過時之前，可能不會發現這一點。

第三種：也是新聞的焦點，是有機太陽能電池技術。這些都是由有機聚合物製成，因此也使用豐富的材料，不需要任何稀有或珍貴的材料。有機太陽能電池有兩個限制，一個目前是致命的，另一個不是。不那麼致命的限制是效率，它們的效率只有目前市場上硅太陽能電池的一半左右。

商用硅太陽能電池的效率在17-20%之間，原型電池的效率已經達到26%，接近硅電池29%的理論極限(被稱為「衝擊-奎塞爾極限」)。所以很快我們就會有商用硅太陽能電池，效率接近29%。這已經足夠讓一個普通家庭通過屋頂太陽能產生超過100%的電力。鈣鈦礦的理論極限是31%，稍高一些。利用昂貴的外來材料，我們已經開發出了效率為44%的太陽能電池，但這可能永遠不會用於商業用途(但適用於衛星和類似應用)。順便說一下，有很多方法可以繞過這個限制，比如使用多個連接和量子點以及其他新興技術。真正的問題總是成本效益和可伸縮性。

目前，有機太陽能電池的效率約為11%。然而，就在15年前，硅太陽能電池還在那裡。這個數字很低，但不至於致命。有機太陽能電池的優點足以抵消這一缺點。有機太陽能電池薄、靈活、便宜、易於大規模生產和安裝。在許多情況下，安裝太陽能的效率只有一半，但價格只有四分之一是合理的。靈活性，以及使其透明的能力，也增加了可能的應用。所以你可以用有機太陽能覆蓋更多的房子，以更低的整體價格來彌補更低的效率。這一切都很好，隨著有機太陽能效率的提高，它也將變得越來越划算。

由於這些原因，有機太陽能可能是未來的終極太陽能。然而，仍然有一個致命的缺陷需要克服，有機太陽能也不穩定。表面往往與空氣中的氧氣和水分發生反應，並分解，失去其效率。可以用透明的密封膠覆蓋它，但這會增加成本，使電池更厚，並可能降低靈活性。所以犧牲了一些好處或有機的通過解決它的主要問題，然後基本上有接近硅的東西，但一半的效率。這讓我們終於看到了新研究突破——研究人員已經開發出一種方法，在不犧牲任何優點的前提下，使有機太陽能電池更加穩定。

有機太陽能電池的主要問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，負責與氧反應。研究人員開發了一種方法，基本上是使用膠帶，加上壓力和加熱，把PCBMs從表面拉下來。這消除了94%的PCBMs，並顯著提高了有機細胞的耐久性，即使在潮濕的條件下。研究人員還認為，這是一個可擴展的經濟有效的過程。這會促使有機太陽能電池技術的繁榮嗎？現在下結論還為時過早，研究人員稱這是一條商業化的「道路」，所以聽起來我們還沒有走到這一步。

但這是一個重大的進步，使有機太陽能技術看起來更可行。如果你關注太陽能技術新聞，那麼像這樣的新聞事件就會很熟悉，甚至每周都有。很難說這些「突破」中哪些會成功，哪些永遠不會商業化。他們確實傾向於共同為技術的穩步進步做出貢獻。在實驗室里讀到的很多技術，如果成功的話，離商業產品可能還有10年甚至更長時間。所以我們對未來總是有一個模糊的願景。但從所有這些太陽能科學新聞中得到的信息是，有多種選擇，而且技術正在穩步進步。我們正看到這一進展的成果(如果推遲10年)出現在商業產品上。

很有可能，到2030年將有更便宜、更高效的太陽能電池，到那時，我們可能會看到商業普及的太陽能電池，甚至是靈活的有機太陽能電池。事實是，地球沐浴在自由的太陽能中，足以運行我們當前的文明。很難想像，在未來，收集這些能源不會成為我們能源基礎設施的主要組成部分。它可能最終會達到這樣的程度：大部分產品都覆蓋著廉價、輕薄、靈活的太陽能收集材料。任何使用能源的東西都會從太陽那裡獲得自由能源，至少可以補充它的需求。當然，這需要幾十年的時間才能實現，但我們正在穩步實現這一目標。

博科園-科學科普｜文: Steven Novella/theness

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