在未來 20 年，全球 50% 至 100% 的能源將來自于太陽能。如今，全球石油和天然氣是關乎 4 萬億美元的龐大業務，盡管 2015 年美國 67% 的發電來自于化石燃料（煤、天然氣和石油），但這種能源結構即將發生天翻地覆的變化。


不可否認，我們正處于太陽能革命的風口上，太陽能電池成本將會直線下降，能源轉換率將會急劇上升，而且推廣部署的動機將會變得非常誘人。這篇博文是關于太陽能變革的上篇，本文闡述了太陽能領域正在進行的變化，并重點關注近期發現名為「鈣鈦礦」（Perovskite）的光伏材料，及其對社會所產生的巨大影響。

當代太陽能：承上啟下

在過去的數十年間，在太陽能領域中使用最廣泛的材料來自于「硅」（Silicon）。早在 1953 年，就已經成功研發了硅材質的太陽能電池；數年之后，首個商業太陽能電池問世。然而令人遺憾的是，首批商用太陽能電池超出了普通消費者的承受能力范圍，且能源的轉換率相當的低。

在經過數十年的科技積累，硅材質的太陽能電池已經變得日益實惠和高效，且大部分太陽能面板平均能源轉換率在 14% 至 18% 之間，而 1954 年的能源轉換率僅僅只有 6%；現在每瓦電費用甚至可以低至 3 美元，而在 1956 年則需要驚人的 300 美元。

盡管太陽能目前在美國發電量的占比僅僅只有 0.4%，但太陽能在未來十年將會呈現巨大增長。美國境內，今年太陽能發電量相比較去年預計將會增長 25% 至 50%，而在全球太陽能發電量預計增幅為 30%。

下方的圖表中表明了近年來全球光伏行業發展和發電量的比例：


這張圖表中所顯示的影響力是驚人的，無論是從環保角度還是經濟角度。而且，我們不妨來做一些測算，以 30% 的年增長率計算，在未來 5 年太陽能在美國地區發電量占比會從 0.4% 躍升至 1.5%；在未來 10 年，將攀升至 5.5%；而在未來 15 年，這個數字將會變成 20%，而在未來 21 年，太陽能的占有量將會達到 98%。

而且更為有趣的是，號稱將全面改變光伏產業面貌的新材料引入將會加速這個進程推進。接下來讓我們深度剖析下這個新材料。

什么是鈣鈦礦？

在今年召開的 Abundance 360 峰會上，德勤公司先進材料與制造部門專家杰夫·卡爾貝克（Jeff Carbeck）非常激動地向我們展示了名為「鈣鈦礦」這種全新材質。

鈣鈦礦是一種比現有硅材料解決方案更高效、廉價且具備通用性的光敏晶體。在過去短短的五年間，鈣鈦礦的能源轉換率增幅明顯--從 4% 激升至接近 20%，使其成為光伏行業歷史上發展最快的技術，沒有之一。

早在 2009 年，科學家就已經對鈣鈦礦進行各項實驗，使其作為染料來吸收太陽光并創建充電，隨后進行分離并協同半導體產生能量。在 2012 年，科學家意識到鈣鈦礦本身就能作為半導體使用，開始廣泛測試用于太陽能電池。

由于鈣鈦礦的生產工藝，鈣鈦礦太陽能電池要比硅電池有著以下重要的優勢和不足。

優勢：

1. 成本： 用于創建鈣鈦礦的原料非常容易獲得且合成成本并不貴，而且整個加工過程在相對低的環境（100 攝氏度）就能完成。硅電池通常需要加熱到 900 攝氏度以上才能清除雜質，這無疑是非常高昂的代價。預估推算鈣鈦礦太陽能電池每瓦電的成本只需要 10 到 20 美分；而傳統基于硅的太陽能面板每瓦需要 75 美分，是前者的 3-8 倍，這也讓太陽能面板讓普通消費者更能承擔得起。

2. 多用途： 鈣鈦礦管具備薄、柔和輕的結構特性，同硅材質厚、重和硬的易脆特性有著天然的優勢。因此鈣鈦礦的用途非常廣泛，理論上可以安裝至屋頂木瓦、窗戶甚至是任意想到的平面。而這種多用途必然會進一步推動太陽能電池規模邁上新的臺階，最終將會消除對化石燃料的依賴。

3. 高效： 正如上文提及的，鈣鈦礦的轉換效率在過去五年間從 4% 增長至接近 20%。然而這僅僅只是開端，從理論上鈣鈦礦的轉換效率上限為 66%，而硅材質理論上限則是 32%。


不足：

1. 安全性： 鈣鈦礦的成分之一是鉛（lead），這種一種劇毒金屬。所以，任何鈣鈦礦太陽能電池都必須要經過一系列嚴苛的安全測試從而確保鉛不會成為潛在的危險因素。然而，研究人員指出，盡管鉛含量非常的低，但也會對環境造成負面影響。目前已經有兩家實驗室用錫（tin）成功生產了無鉛鈣鈦礦電池，從而完全消除這個負面影響。

2. 耐用性： 目前主流商業硅太陽能電池都具備 25 年保修，但是當鈣鈦礦接觸水分的時候能夠在數小時之內完全降解。然而，新的研究已經找到了突破口。研究人員已經創建了新型鈣鈦礦光伏，世界上移除嘗試降解的涂層，創建能夠穩定操作 1000 小時以上的材質（是科研人員主動停止測試）。

疊層太陽能電池：

一個非常有趣的解決方案是混合鈣鈦礦和其他光伏材料打造出更高效的系統。香港科學家近日報告稱已經成功混合了鈣鈦礦和硅來創建一個疊層太陽能電池，從而創新了全球能源轉換率上限--25.5%。

太陽能擁有不同的波長，不同材料的混合解決方案能夠讓太陽能電池更好的進行能量吸收。

例如，碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）和硅材質打造的太陽能電池能夠形成優勢互補。將鈣鈦礦太陽能作為頂層，能夠吸收短波光量；而底層則附上硅材質，，能夠吸收長波光量。

對太陽能的啟示：

世界能源對太陽能寄予厚望，而且這種希望已經非常接近于現實。當前人類每年所消耗電量是 16 兆瓦 (2008 年的數字)，每年輻射到地球上的能量達 1813 億噸標準煤，相當于全世界年需要能量總和的 5000 倍。同樣重要的是，如何將這些技術成果轉換成為商業業務。

在 21 世紀 10 年代初進入低迷狀態之后，很多企業家和投資者對太陽能持謹慎態度，畢竟很多太陽能公司在獲得巨額融資之后因管理不善而倒閉。盡管這樣，依然有很多非常有前途的初創企業著手研發各種太陽能解決方案，而且我們堅信我們能夠在明年看到鈣鈦礦太陽能電池商用。

每天都有新的研發成果公布，為我們展望了一個充沛能源、干凈水資源和無限可能的未來世界。這必然會是材料科學的一次激動人心時刻，更是人類生存的激動人心時刻。