玻璃窗能发电？量子点嵌入太阳能窗的透明材料中，形成发光太阳能集中器

从伦敦大学学院扬尼斯•帕帕康斯坦丁努（Ioannis Papakonstantinou）的办公室向外看，满目皆是被错失的良机。他指向大学医院，一座长方形的高楼，外面覆盖着装饰性的绿色长条玻璃。这些玻璃虽然看起来很现代，但却毫无用处，甚至光线都无法透过。

“他们用这些绿色的玻璃表面做什么？”他问，“什么都不做。你会在那里放一块传统的太阳能电池板吗？绝不会。”

很多人梦想着把玻璃面板转变为可直接整合在建筑中的光伏模块，既可以装饰，又能够透光，帕帕康斯坦丁努就是其中之一。他的实验室与许多研究团队与公司做着同样的事情：用多种不同方法开发太阳能窗；有些已经将太阳能窗安装在了建筑上。

吸引他们的原因是显而易见的。这些窗户能够不露声色地为建筑物发电，同时建筑内的住户也可以透过窗户看到街上的场景，享受自然光，或是观看头顶上飘过的云朵。

弗里多尼亚（Freedonia）集团表示，到2020年，全球每年将在新建筑上安装平板玻璃83亿平方米。在同样的面积下，如果以理想的方式敷设标准太阳能电池板，将能够产生超过1太瓦的峰值电量输出，1年的时间，可产生大约2190太瓦时的电能。这相当于2016年全世界年用电量的9%。如果在2017年用这些能源代替煤炭，将减少由化石燃料、工业以及林业与土地利用变化产生的碳排放的1.6%。

强大的监管力量正将太阳能窗及其环境效益推进现实。欧盟一项指令要求到2020年年底，所有新建筑都须达到“接近零能耗”标准。日本在福岛第一核电站事故之后，已经进一步要求所有新的公共建筑到2020年达到零能耗标准。

太阳能窗永远不会像传统太阳能电池板一样高效，因为窗户必须保持至少部分透明。但它们可以创造出一个由小型光伏能源组成的庞大网络。开发者们认为，这类窗户通过节能所节省的资金，可以补偿其安装成本。

意大利罗马大学的托马斯•布朗（Thomas Brown）曾开发过太阳能窗，他说，成本差异已经相当小。他表示，在窗户材料中添加发电组件的成本，不到10年即可收回。而且当前有各种各样的技术，每种技术的成本和特点都不同。因此现在正在进行的开发将决定该技术能否成功，以及如果成功，在众多方法中哪种方法将占据主导地位。

AT&T贝尔电话实验室在1954年公开其硅基技术时，实现了光伏电池的商业化。如今的屋顶太阳能电池板通常仍使用这种电池。当受到光子撞击时，硅晶格中的电子被推入到更高的能级中，留下携带正电荷的空穴。电子和空穴通过硅层以相反方向移向电池的两极，从而产生电流。

理想情况下，一块标准的太阳能电池板能够捕获每一个光子。然而，兼作窗户的太阳能电池板则只吸收某些特定波段的光子——特别是紫外线波段（会使物体褪色并对人体有害）和红外波段（会使室温升高）的光子。为了阻止这些光子进入，普通的窗玻璃通常涂覆低辐射涂层，从而阻止至少10%的可见光进入。而太阳能涂层则可以利用这些被阻挡在外的波段来发电。

然而，在窗户中集成发电组件是非常困难的。一般来说，窗户也必须符合严格的稳定性标准。这些挑战使太阳能窗很难生产和销售。

新墨西哥州UbiQD公司的首席执行官亨特·麦克丹尼尔（HunterMcDaniel）确信，他公司的技术在这些领域中具有关键优势。公司名称中的“QD”代表量子点，是一种半导体纳米晶体。量子点能够发出荧光，在受到辐射时会重新发出光线；它们属于被称作荧光分子的一类物质，广泛应用于生物化学物质标记中。

量子点也可以嵌入太阳能窗的透明材料中，形成发光太阳能集中器（LSC）。发光太阳能集中器捕获窗玻璃内的光线，然后将其重新折射到竖立在玻璃一侧边缘的不透明太阳能电池上。在吸收入射光线后，荧光分子再发出另外一种颜色的光，在窗户表面和太阳能电池之间反射，而不会发散出去或被其他量子点再吸收。位于米兰的Glassto Power和位于荷兰代尔夫特的Physee等其他公司也使用这种方法。

最好的量子点有着很高的量子产出——它们将所吸收的一部分光线重新发射出去，比例随着光线颜色的变化而不同。麦克丹尼尔称，UbiQD公司已经创建了红外量子点荧光分子，能够使“无色”发光太阳能集中器成为可能，且不会改变通过窗户看到的物体颜色，量子产率达80%。对于可见光荧光分子，量子产率达95%。“其他技术根本无法接近这一产率。”麦克丹尼尔坚持说。

包括帕帕康斯坦丁努在内的大部分竞争者都采用有机染料分子作为荧光分子，然而麦克丹尼尔认为，这些染料并不是特别稳定。“把一张报纸放在太阳下，观察一下墨水的褪色速度有多快就知道了。”他说。麦克丹尼尔表示，同样的分解过程也会导致使用有机光伏（OPV）的太阳能窗出现稳定性问题。

麦克丹尼尔和帕帕康斯坦丁努都承认发光太阳能集中器技术目前尚处于早期的研究阶段。位于科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室（NREL）的光伏专家莎拉·库尔茨（SarahKurtz）也赞同这一观点。“我还没看到过表明它们将进行大规模生产的相关报道。”她说。

相比之下，马里兰州的太阳能窗科技公司经过10多年的产品开发，在2017年8月签署了一份生产有机光伏技术产品的合同。

太阳能窗科技公司最先进的工艺是将液体喷射到玻璃上，在玻璃上形成多层三明治结构的固体有机聚合物。中心填充物是吸收体聚合物层，分离了电子与空穴。其他聚合物层则能够帮助电子和空穴向电极移动。

2017年，太阳能窗科技公司将其喷射涂层工艺授权给位于洛杉矶的制造商TriviewGlass 工业公司。太阳能窗科技公司已经筹集了用于合作的设备资金，但没有透露何时将出售基于该项技术的窗户以及生产成本。然而，太阳能窗科技公司的首席执行官约翰·康克林（JohnConklin）坚持说，他的公司承诺要接近标准窗户的价格——根据弗里多尼亚集团的说法，能持续隔热的窗格玻璃的价格约为每平方米500美元。

太阳能窗科技公司的另一个目标是使窗户允许高达85%的可见光透过，同时阻止红外线和紫外线的进入。精确的透明度、颜色和色调将决定功率输出，而这一点太阳能窗科技公司尚未准备披露。

但估计功率输出其实并不难。通常情况下，地球表面对太阳能的吸收功率约为每平方米1000瓦。如果一个太阳能窗的透明度是50%，那它的吸收功率为每平方米500瓦。有机光伏电池光电转换效率的最高纪录是11.5%。如果太阳能窗科技公司产品的效率能够达到10%，则1平方米窗户的峰值输出功率将达到50瓦，差不多可为8个手机充电器供电。

位于英国剑桥的IDTechEx公司的技术分析师何小希（XiaoxiHe，音）提醒说，有机光伏面板越大，性能降低的可能性就越大。她说：“一扇大窗户的效率可能只有2%～5%。” 她补充说，稳定性也是一大问题，实验室结果显示，使用当前材料的有机光伏窗户“在理想状况下”的使用寿命可能只有七八年。

何小希指出，位于加州的UbiquitousEnergy公司正在和太阳能窗科技公司竞争，将透明的有机光伏涂层玻璃推向市场。但她认为，因为实现效率目标和扩大生产都存在挑战，因此各公司的商业化努力仍然处于“一个非常初期的阶段”。

对商业化前景的疑问也中和了一种全新的光伏材料——钙钛矿，一种杂化有机-无机物质——给人们带来的兴奋。

该技术与有机光伏技术类似，但在三明治结构的中间层中填充的是钙钛矿，而不是太阳能窗科技公司所使用的聚合物。与聚合物吸收体不同的是，钙钛矿是半导体，本身能够传输电子，这样有可能减少或消除三明治结构中的其他层。这种特性连同钙钛矿材料更易于制造的实际情况，使其转换效率从2009年的3.8%提升至22.7%。

钙钛矿对湿度极为敏感，但英国初创公司牛津光伏（OxfordPV）称，他们已经开发出不那么敏感的配方，并通过紧密的封装解决了这个问题。牛津光伏一直从事太阳能窗的研发，但现在公司只打算将其最先进的防潮产品应用在普通的太阳能电池板上。他们在标准的6英寸硅太阳能电池前放置了一层半透明的钙钛矿层，制作出了效率达25%的“叠层电池”。

“我担心集成光伏产品的建筑到来的时间会超出我们能够承受的范围。”牛津光伏公司的首席技术官克里斯·凯斯（ChrisCase）说。他表示，就像许多新材料一样，从1平方厘米的研究型电池到批量生产600毫米×1200毫米的统一规格的窗户，还有“大量工作”要做。牛津光伏希望先完善小型硅电池技术，以便日后可以应用在更大的窗户上。

当前，牛津光伏的钙钛矿电池原型的效率略低于20%。凯斯说，公司正与一家合作伙伴（未透露名称）进行合作，该合作伙伴预计在2019年向客户提供叠层电池。在他规划的路线图上，全钙钛矿电池会在那之后再过几年出现，或许还包括太阳能窗。

美国国家可再生能源实验室的库尔茨称，钙钛矿技术进展顺利，小型设备的效率仍在提升。“我们希望他们正在迈向更大的成功，但我还没有见到大面积设备的性能超出现有技术的数据。”她说，“我认为在准备大规模投产前，他们还有一些工作要做。”

凯斯并不在意是全有机涂层还是其他技术最先实现商业化。事实上，如果竞争对手率先解决了监管、建筑设计和实用性这些基本的挑战，他也会同样欢迎。“最终，我们的材料会胜过任何其他技术。”他说。他或许可以如愿以偿，因为至少有一家公司已经在为建筑承包商提供透明的太阳能电池了。

我在伦敦一栋写字楼的底层，注视着楼上7层的光伏天窗。我发现集成方面的一些实际挑战正在得到解决。可以很明显地看到，窗格中间的发电区域看起来比周围的玻璃暗一些。

这个16米×8米的系统由西班牙Onyx太阳能公司生产。Onyx用激光将图案蚀刻进光伏面板中，使其更加透明，将薄膜硅太阳能板变成光伏天窗。“我们通过激光光刻，移除了不透明硅层和后接点。”Onyx的首席执行官阿尔瓦罗·贝尔特兰（Álvaro Beltrán）解释道。公司拥有从不透明到30%透明度不等的产品。相比之下，大部分太阳镜的透明度为18%到45%。

我所在的建筑使用的是透明度为20%的产品，为建筑承包商迈凯轮集团服务的项目经理加文·特恩布尔（GavinTurnbull）解释道。特恩布尔和我乘电梯来到天窗正下方，在那里我可以看到玻璃上微型矩形太阳能电池的轮廓线。在其边缘周围，一条导电铝带把它们连接起来，而后消失在面板之间的过梁后，更多的传统配线也隐藏在那里。

特恩布尔说，安装天窗很容易。然而，与Onyx探讨如何为面板接线则颇具挑战性：天窗最初的发电电压远高于预期。在我来访大约1个月后，工人们才解决了这个问题，系统现在运行正常。

Onyx的工厂自2015年投入运营以来，已经在一些高端建筑中安装了太阳能板，包括迈阿密热火队的篮球馆。Onyx声称，产品安装后，可在不到1年的时间里收回成本。公司现在正在制造超过5500平方米的半透明光伏玻璃，贝尔特兰称这将是世界上最大的光伏天窗。考虑到该技术与硅技术之间的传承性，把它安装在重建于新泽西州霍姆德尔的贝尔工程大楼内再合适不过。

贝尔特兰还表示，这种太阳能窗的成本仅比传统的低辐射玻璃高10%。例如，在纽约市，10%透明度、3400平方米天窗的额外安装成本大约是每平方米172美元。不过，如果将激励措施考虑在内，额外安装成本将降至48美元。贝尔特兰称，鉴于天窗平均每天380千瓦时的电力产能，该成本能够在两年内收回。

美国国家可再生能源实验室的库尔茨则没有这么肯定。“为了评估这些特定产品是否准备好改变世界，我们应该问清楚投资回收期是如何计算的。”她提醒说，“回收（期）短可能表示他们已经取得了突破，这非常令人兴奋。但这也可能意味着他们发现了愿意支付高昂价格（与非太阳能产品相比）的客户。”

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一些新建筑已经在其天窗和窗户中应用了Onyx的产品，并产生了电力，而翻新现有的建筑则将更加困难，也更加昂贵。然而，回到帕帕康斯坦丁努的办公室，他把一块方形的橙色塑料贴在了窗户上，这是他团队自己研发的一款发光太阳能集中器。

将发光太阳能集中器贴在窗户上后，由于集中效应，我看到窗户边缘的光线比其他部分的更明亮。帕帕康斯坦丁努说，“如果我们想把它商业化，我们可以将大型建筑的现有窗户转化为”发电的窗户。毕业于伦敦大学学院的马克·波特诺伊（MarkPortnoi）使用这种材料和集成的商业电池制作了一个250毫米×250毫米的原型，并在2017年3月伦敦新能源建筑展览会上进行了展示。

这样的产品也能被添加到很多日常用品中，如汽车、计算机和手机，库尔茨称之为“万物光伏”。这些应用对帕帕康斯坦丁努的技术，以及牛津光伏公司、太阳能窗科技公司和UbiQD公司而言都是很重要的后方阵地。

并且他们也可能很需要这些后方阵地。依托一大批成功的安装部署，Onyx已经一跃而出，处于早期商业化的领先地位。但在另一方面，除非进行革命性的创新，否则由于激光蚀刻技术对硅面板透明化程度的限制，公司可能无法享有广泛的市场。

因此，真正的太阳能窗竞赛仍在继续，即使最有希望的竞争者——牛津光伏公司的钙钛矿技术——也仍需要数年的时间。UbiQD和帕帕康斯坦丁努的发光太阳能集中器的情况也是如此。太阳能窗科技公司的有机光伏技术可能会在今年上市，但即使果真如此，该公司也必须让人们相信，它的技术确实已经足够成熟了。

不过，帕帕康斯坦丁努援引欧洲最大建筑公司之一的一位匿名高级职员的话，表示如果能够“赢得建筑师的心”，那么每一种方法都可能得到认可。

幸运的是，这个过程已经进行了20多年。20世纪90年代，建筑大师诺曼·福斯特（Norman Foster）爵士应用一项创新的“光雕刻家”技术（非光伏技术），使位于柏林的德国国会大厦成为世界上最早的零能耗建筑之一。对于我们为什么需要创新，福斯特的话已经引起了广泛而深远的共鸣，同时也强调了太阳能窗如此重要的原因：“太阳能建筑与时尚无关，而与我们的生存息息相关。”