光伏能否代替煤炭？ 有机PK钙钛矿，谁才是未来？
转载注：个人观点并不看好非硅电池，认为更多是炒作，因为从资源量和成本上来说，这些新思路都不足以支撑人类的能源梦想
联合国气候变化框架公约（UNFCC）是由195个国家联合签署的国际条约，于1994年生效。该条约建立了一个高目标：使温室气体浓度稳定地保持在人类活动不会破坏气候系统的水平上。国际商定的目标是把全球平均地表温度的增长幅度限制在2°C以下。
实现2°C的温度增长上限，要求到2050年全球温室气体净排放量接近于零。反过来，这又要求全球所有经济部门通过大幅度降低碳排放强度来实现能源系统的深刻变革。而实现这种转变则需要大量增加能够发电的可持续再生能源，如水力发电、风力发电和太阳能电池。
如今，太阳能发电仅占全球能源发电的1%，这只是我们减少人为二氧化碳排放量旅程中的一小步。 为了更清楚地了解对太阳能电池的基本研究在何种程度上推动了UNFCC目标，ScienceWatch搜索了汤姆森路透社科学网（Thomson Reuters Web of Science），对材料科学、物理、化学领域最近发表的论述太阳能电池设计、性能上的技术改进的论文的影响力进行了评估。 这次搜索的出版日期范围是2012年到2014年。搜索主题是“光伏太阳能电池”，搜索范围涵盖标题、摘要、作者关键字和扩展关键词。搜索过程抽出了8024篇论文，这些论文总共被22046篇文章引用了56246次。 下表显示了近两年来有关光伏太阳能电池（PSCs）的论文被引用率居于前十位的论文。总的来说，这十篇论文被2871篇文章引用了3753次。 2012年—2014年，有关光伏太阳能电池的高引用率论文 （根据引用率排列） 排名 | 论文 | 引用率 | 1 | Z. He等, “Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure,” Nature Photonics, 6(9): 591-5,2012年9月. [华南理工大学，广东] | 1090 | 2 | L. Dou等, “Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer,” Nature Photonics, 6(3): 180-5, 2012年3月. [加利福尼亚大学洛杉矶校区;国家可再生能源实验室, Golden, CO] | 685 | 3 | Y. Sun, 等, “Solution-processed small-molecule solar cells with 6.7% efficiency,” Nature Materials, 11(1): 44-8, 2012年1月. [加利福尼亚大学圣塔芭芭拉校区] | 561 | 4 | L. Han等, “High efficiency dye-sensitized solar cell with a novel co-adsorbent,” Energy & Environmental Sci., 5(3): 6057-60, 2012年3月. [国家材料科学研究所, Tsukuba, 日本; 印度化学技术研究所, Hyderabad] | 229 | 5 | A. Ip等, “Hybrid passivated colloidal quantum dot solids,” Nature Nanotechnology, 7(9): 577-82, 2012年9月. [多伦多大学, 加拿大; 阿普杜拉国王科技大学, Thuwal,沙特阿拉伯] | 227 | 6 | L. Dou等, “Systematic investigation of benzodithiophene and diketopyrrolopyrrole-based law-bandgap polymers designed for single junction and tandem polymer solar cells,” J. Am. Chem. Soc., 134(24): 10071-9, 2012年6月20日. [加利福尼亚大学洛杉矶校区] | 207 | 7 | L. Etgar等., “Mesoscopic CH3NH3Pbl3/TiO2 heterojunction solar cells,” J. Am. Chem. Soc., 134(42): 17396-9, 2012年10月3日. [洛桑联邦理工大学, 瑞士; 新加坡国立大学; 以色列希伯莱大学] | 198 | 8 | J. Zhou等, “Small molecules based on benzo[1,2-b: 4,5-b ‘]dithiophene unit for high-performance solution-processed organic solar cells,” J. Am. Chem. Soc., 134(39): 16345-51,2012年10月3日. [南开大学, 天津, 中国] | 193 | 9 | J.M. Ball等, “Low-temperature processed meso-superstructured to thin-film perovskite solar cells,” Energy & Environmental Sci., 6(6): 1739-43, 2013年6月. [牛津大学, 英国] | 182 | 10 | M. Wu等, “Economical Pt-Free catalysts for counter electrodes of dye-sensitized solar cells,” J. Am. Chem. Soc., 134(7): 3419-28, 2012年2月12日. [大连理工大学, 辽宁, 中国; 乌普萨拉大学, 瑞典; 洛桑联邦理工学院] | 181 | 资料来源：Thomson Reuters Web of Science |
这些论文有一个共同的特点： 都追求基于有机聚合物的光伏太阳能电池的转换效率的提高。在详细看这一点之前，我们先来回顾目前为止在硅的研究上取得的成就。 晶体硅太阳能电池 目前，全球太阳能电池组件90%都是由晶体硅太阳能电池制成。而效率约15%的太阳能电池组件的投资回报率最高。Bell实验室在1954年制成了第一个硅太阳能电池。这种新技术早期应用于卫星和航天器的供电，在这种应用中成本因素无关紧要。如今，实现该项技术的大规模应用已经30年了，随着技术的不断发展，价格也在不断降低。在硅太阳能电池上取得的最新成果是硅异质结电池，它目前已经在工业规模上达到了20%。 那么，有什么理由不喜欢硅电池呢？很遗憾，有很多。它的生产费用昂贵，且生产过程需要很高的温度。这些太阳能电池还很重、僵硬且脆弱。不仅如此，由于它们只适用于平坦的表面，所以只能用在屋顶或平地上。 有机薄膜光伏电池的优点 有机光伏技术的主要优点是易于加工，因此它的生产成本有望变得很低。一种简单但成功的技术是可溶液处理的本体异质结太阳能电池技术，这种电池由供电子半导体聚合物和拉电子富勒烯组成的有源层构成。通过使用旋涂、喷墨印刷、喷涂、凹版涂布、对辊生产等技术，这种复合有源层可以作为单个步骤有很广的应用范围。这些是推动上表多数研究的积极因素。 居于第一位的论文#1描述了，通过采用一种倒置结构而在异质结太阳能电池设计上取得的一项突破。在论文#1出现之前，大多数的倒置光伏太阳能电池不能与常规设备的性能相匹配。论文#1描述了9.2%的效率，这几乎达到了商业开发所需的10%的效率。这一结果超越了之前论文#2描述的8.62%的效率记录。论文#1的作者说：“我们预计，我们的半透明光伏太阳能电池能够实际用于制造窗户、可折叠窗帘和隐形电子电路”。 论文#2和#6描述了在叠层电池结构上取得的一项进步，该技术将具有不同属性的太阳能电池结合以捕获更广泛的太阳光谱。论文#6描述的效率是8%。 在论文#3、#7、和#8中，描述了溶液处理工艺的优点。在工业实验室和学术实验室中，有大量关于本体异质结太阳能电池的研究，这些研究需要能在室温下进行的简单的加工工艺。一种以溶液为基础的方法也是论文#5主要描述的胶体量子点（CQDs）的加工方法，这种方法为高效光伏发电提供了一种途径。CQDs的光谱调谐性通过一种量子尺寸效应实现，在广泛的太阳光谱上，这种效应对特定波长的吸收起着媒介作用。由于CQD材料的合成、储存和处理都在溶液中，所以具有易加工的特性。 钙钛矿的潜力 2009年，钙钛矿成为薄膜太阳能电池的成分之一。钙钛矿指的是任何与钛酸钙CaTiO3具有相同晶体结构的材料。实验已经证明，金属卤化物材料在薄膜光伏太阳能电池中作为采集层是非常有效的。论文#9描述了在铅钙钛矿卤化物加工中取得的一项技术进步：加工温度从500°C降到不足150°C。此外，该论文描述的效率是12.3%。该项技术还有广泛的提升空间。 钙钛矿非常吸引人的一点是：它是感光材料之一。作为感光材料，它是从低温液体溶液中制造出来的，这与生成硅晶体和其他太阳能电池材料所采用的高温方法相反。更重要的是，使用它只是一项“涂漆工作”。但它也有一个很大的缺点：晶体会在潮湿条件下分解——它们只会在没有太多阳光的室内保持稳定。然而，解决这个问题并不简单。 充满希望的光明未来 ScienceWatch的评估显示了，当前对光伏太阳能电池的研究是如何成为跨学科的转型领域的，它在造福社会和地球上具有巨大潜力。随着新材料，如钙钛矿，在实验室中的应用，进步速度在不断加快。设计工程师需要的太阳能电池是质量小、耐用、柔韧、易附着、更透明且低成本的。现在，这些目标似乎都能够变成现实。 政策制定者也许应该注意的是，未来10年科学技术的发展方向。在某些情况下，政策的重点应该放在为太阳能采集和利用提供更多机会上，这也是实现UNFCC目标的一种可行方法。太阳能技术在发展中国家的发展潜力是巨大的，特别是在非洲和印度的乡村地区。这些地区能够让新一代太阳能电池板建在独立的区域，以提供国家规模的可持续电能。 来源：Science Watch |
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