從倫敦大學(xué)學(xué)院揚(yáng)尼斯?帕帕康斯坦丁努（Ioannis Papakonstantinou）的辦公室向外看，滿目皆是被錯(cuò)失的良機(jī)。他指向大學(xué)醫(yī)院，一座長(zhǎng)方形的高樓，外面覆蓋著裝飾性的綠色長(zhǎng)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(huì)在那里放一塊傳統(tǒng)的太陽能電池板嗎？絕不會(huì)?！?/p>

很多人夢(mèng)想著把玻璃面板轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)室與許多研究團(tuán)隊(duì)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(jīng)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(shí)建筑內(nèi)的住戶也可以透過窗戶看到街上的場(chǎng)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(tuán)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池板，將能夠產(chǎn)生超過1太瓦的峰值電量輸出，1年的時(shí)間，可產(chǎn)生大約2190太瓦時(shí)的電能。這相當(dāng)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(chǎn)生的碳排放的1.6%。

強(qiáng)大的監(jiān)管力量正將太陽能窗及其環(huán)境效益推進(jìn)現(xiàn)實(shí)。歐盟一項(xiàng)指令要求到2020年年底，所有新建筑都須達(dá)到“接近零能耗”標(biāo)準(zhǔn)。日本在福島第一核電站事故之后，已經(jīng)進(jìn)一步要求所有新的公共建筑到2020年達(dá)到零能耗標(biāo)準(zhǔn)。

太陽能窗永遠(yuǎn)不會(huì)像傳統(tǒng)太陽能電池板一樣高效，因?yàn)榇皯舯仨毐３种辽俨糠滞该?。但它們可以?chuàng)造出一個(gè)由小型光伏能源組成的龐大網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)者們認(rèn)為，這類窗戶通過節(jié)能所節(jié)省的資金，可以補(bǔ)償其安裝成本。

意大利羅馬大學(xué)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(jīng)相當(dāng)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(dāng)前有各種各樣的技術(shù)，每種技術(shù)的成本和特點(diǎn)都不同。因此現(xiàn)在正在進(jìn)行的開發(fā)將決定該技術(shù)能否成功，以及如果成功，在眾多方法中哪種方法將占據(jù)主導(dǎo)地位。

AT&T貝爾電話實(shí)驗(yàn)室在1954年公開其硅基技術(shù)時(shí)，實(shí)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(dāng)受到光子撞擊時(shí)，硅晶格中的電子被推入到更高的能級(jí)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(chǎn)生電流。

理想情況下，一塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池板能夠捕獲每一個(gè)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(huì)使物體褪色并對(duì)人體有害）和紅外波段（會(huì)使室溫升高）的光子。為了阻止這些光子進(jìn)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(jìn)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(yán)格的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。這些挑戰(zhàn)使太陽能窗很難生產(chǎn)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(shù)在這些領(lǐng)域中具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。公司名稱中的“QD”代表量子點(diǎn)，是一種半導(dǎo)體納米晶體。量子點(diǎn)能夠發(fā)出熒光，在受到輻射時(shí)會(huì)重新發(fā)出光線；它們屬于被稱作熒光分子的一類物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)物質(zhì)標(biāo)記中。

量子點(diǎn)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(nèi)的光線，然后將其重新折射到豎立在玻璃一側(cè)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(huì)發(fā)散出去或被其他量子點(diǎn)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(diǎn)有著很高的量子產(chǎn)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(jīng)創(chuàng)建了紅外量子點(diǎn)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(huì)改變通過窗戶看到的物體顏色，量子產(chǎn)率達(dá)80%。對(duì)于可見光熒光分子，量子產(chǎn)率達(dá)95%?！捌渌夹g(shù)根本無法接近這一產(chǎn)率?！丙溈说つ釥枅?jiān)持說。

包括帕帕康斯坦丁努在內(nèi)的大部分競(jìng)爭(zhēng)者都采用有機(jī)染料分子作為熒光分子，然而麥克丹尼爾認(rèn)為，這些染料并不是特別穩(wěn)定?！鞍岩粡垐?bào)紙放在太陽下，觀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(huì)導(dǎo)致使用有機(jī)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(rèn)發(fā)光太陽能集中器技術(shù)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(shí)驗(yàn)室（NREL）的光伏專家莎拉·庫爾茨（SarahKurtz）也贊同這一觀點(diǎn)?！拔疫€沒看到過表明它們將進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道?！彼f。

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

太陽能窗科技公司最先進(jìn)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(jié)構(gòu)的固體有機(jī)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(dòng)。

2017年，太陽能窗科技公司將其噴射涂層工藝授權(quán)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(jīng)籌集了用于合作的設(shè)備資金，但沒有透露何時(shí)將出售基于該項(xiàng)技術(shù)的窗戶以及生產(chǎn)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(jiān)持說，他的公司承諾要接近標(biāo)準(zhǔn)窗戶的價(jià)格——根據(jù)弗里多尼亞集團(tuán)的說法，能持續(xù)隔熱的窗格玻璃的價(jià)格約為每平方米500美元。

太陽能窗科技公司的另一個(gè)目標(biāo)是使窗戶允許高達(dá)85%的可見光透過，同時(shí)阻止紅外線和紫外線的進(jìn)入。精確的透明度、顏色和色調(diào)將決定功率輸出，而這一點(diǎn)太陽能窗科技公司尚未準(zhǔn)備披露。

但估計(jì)功率輸出其實(shí)并不難。通常情況下，地球表面對(duì)太陽能的吸收功率約為每平方米1000瓦。如果一個(gè)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(jī)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄是11.5%。如果太陽能窗科技公司產(chǎn)品的效率能夠達(dá)到10%，則1平方米窗戶的峰值輸出功率將達(dá)到50瓦，差不多可為8個(gè)手機(jī)充電器供電。

位于英國劍橋的IDTechEx公司的技術(shù)分析師何小希（XiaoxiHe，音）提醒說，有機(jī)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(bǔ)充說，穩(wěn)定性也是一大問題，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果顯示，使用當(dāng)前材料的有機(jī)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(jìng)爭(zhēng)，將透明的有機(jī)光伏涂層玻璃推向市場(chǎng)。但她認(rèn)為，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)效率目標(biāo)和擴(kuò)大生產(chǎn)都存在挑戰(zhàn)，因此各公司的商業(yè)化努力仍然處于“一個(gè)非常初期的階段”。

對(duì)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(jī)-無機(jī)物質(zhì)——給人們帶來的興奮。

該技術(shù)與有機(jī)光伏技術(shù)類似，但在三明治結(jié)構(gòu)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(dǎo)體，本身能夠傳輸電子，這樣有可能減少或消除三明治結(jié)構(gòu)中的其他層。這種特性連同鈣鈦礦材料更易于制造的實(shí)際情況，使其轉(zhuǎn)換效率從2009年的3.8%提升至22.7%。

鈣鈦礦對(duì)濕度極為敏感，但英國初創(chuàng)公司牛津光伏（OxfordPV）稱，他們已經(jīng)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(gè)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(jìn)的防潮產(chǎn)品應(yīng)用在普通的太陽能電池板上。他們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)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(dá)25%的“疊層電池”。

“我擔(dān)心集成光伏產(chǎn)品的建筑到來的時(shí)間會(huì)超出我們能夠承受的范圍。”牛津光伏公司的首席技術(shù)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(chǎn)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(shù)，以便日后可以應(yīng)用在更大的窗戶上。

當(dāng)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(jìn)行合作，該合作伙伴預(yù)計(jì)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(huì)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(shí)驗(yàn)室的庫爾茨稱，鈣鈦礦技術(shù)進(jìn)展順利，小型設(shè)備的效率仍在提升?！拔覀兿Ｍ麄冋谶~向更大的成功，但我還沒有見到大面積設(shè)備的性能超出現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)據(jù)。”她說，“我認(rèn)為在準(zhǔn)備大規(guī)模投產(chǎn)前，他們還有一些工作要做。”

凱斯并不在意是全有機(jī)涂層還是其他技術(shù)最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。事實(shí)上，如果競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手率先解決了監(jiān)管、建筑設(shè)計(jì)和實(shí)用性這些基本的挑戰(zhàn)，他也會(huì)同樣歡迎。“最終，我們的材料會(huì)勝過任何其他技術(shù)。”他說。他或許可以如愿以償，因?yàn)橹辽儆幸患夜疽呀?jīng)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(shí)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(gè)16米×8米的系統(tǒng)由西班牙Onyx太陽能公司生產(chǎn)。Onyx用激光將圖案蝕刻進(jìn)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?！拔覀兺ㄟ^激光光刻，移除了不透明硅層和后接點(diǎn)?！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(chǎn)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(chǎn)品，為建筑承包商邁凱輪集團(tuán)服務(wù)的項(xiàng)目經(jīng)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(dǎo)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(yuǎn)高于預(yù)期。在我來訪大約1個(gè)月后，工人們才解決了這個(gè)問題，系統(tǒng)現(xiàn)在運(yùn)行正常。

Onyx的工廠自2015年投入運(yùn)營以來，已經(jīng)在一些高端建筑中安裝了太陽能板，包括邁阿密熱火隊(duì)的籃球館。Onyx聲稱，產(chǎn)品安裝后，可在不到1年的時(shí)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?？紤]到該技術(shù)與硅技術(shù)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(nèi)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(lì)措施考慮在內(nèi)，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(shí)的電力產(chǎn)能，該成本能夠在兩年內(nèi)收回。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的庫爾茨則沒有這么肯定?！盀榱嗽u(píng)估這些特定產(chǎn)品是否準(zhǔn)備好改變世界，我們應(yīng)該問清楚投資回收期是如何計(jì)算的?！彼嵝颜f，“回收（期）短可能表示他們已經(jīng)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(jià)格（與非太陽能產(chǎn)品相比）的客戶?！?/p>

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一些新建筑已經(jīng)在其天窗和窗戶中應(yīng)用了Onyx的產(chǎn)品，并產(chǎn)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(tuán)隊(duì)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(yīng)，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(zhuǎn)化為”發(fā)電的窗戶。畢業(yè)于倫敦大學(xué)學(xué)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(gè)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(huì)上進(jìn)行了展示。

這樣的產(chǎn)品也能被添加到很多日常用品中，如汽車、計(jì)算機(jī)和手機(jī)，庫爾茨稱之為“萬物光伏”。這些應(yīng)用對(duì)帕帕康斯坦丁努的技術(shù)，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(jīng)一躍而出，處于早期商業(yè)化的領(lǐng)先地位。但在另一方面，除非進(jìn)行革命性的創(chuàng)新，否則由于激光蝕刻技術(shù)對(duì)硅面板透明化程度的限制，公司可能無法享有廣泛的市場(chǎng)。

因此，真正的太陽能窗競(jìng)賽仍在繼續(xù)，即使最有希望的競(jìng)爭(zhēng)者——牛津光伏公司的鈣鈦礦技術(shù)——也仍需要數(shù)年的時(shí)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(jī)光伏技術(shù)可能會(huì)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(shù)確實(shí)已經(jīng)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(jí)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(rèn)可。

幸運(yùn)的是，這個(gè)過程已經(jīng)進(jìn)行了20多年。20世紀(jì)90年代，建筑大師諾曼·福斯特（Norman Foster）爵士應(yīng)用一項(xiàng)創(chuàng)新的“光雕刻家”技術(shù)（非光伏技術(shù)），使位于柏林的德國國會(huì)大廈成為世界上最早的零能耗建筑之一。對(duì)于我們?yōu)槭裁葱枰獎(jiǎng)?chuàng)新，福斯特的話已經(jīng)引起了廣泛而深遠(yuǎn)的共鳴，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了太陽能窗如此重要的原因：“太陽能建筑與時(shí)尚無關(guān)，而與我們的生存息息相關(guān)。”