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

很多人夢想著把玻璃面板轉(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。他的實驗室與許多研究團隊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，同時建筑內(nèi)的住戶也可以透過窗戶看到街上的場景，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年的時間，可產(chǎn)生大約2190太瓦時的電能。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。歐盟一項指令要求到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)不會像傳統(tǒng)太陽能電池板一樣高效，因為窗戶必須保持至少部分透明。但它們可以創(chuàng)造出一個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貝爾電話實驗室在1954年公開其硅基技術(shù)時，實現(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，硅晶格中的電子被推入到更高的能級中，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（會使物體褪色并對人體有害）和紅外波段（會使室溫升高）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。公司名稱中的“QD”代表量子點，是一種半導(dǎo)體納米晶體。量子點能夠發(fā)出熒光，在受到輻射時會重新發(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，而不會發(fā)散出去或被其他量子點再吸收。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，且不會改變通過窗戶看到的物體顏色，量子產(chǎn)率達(dá)80%。對于可見光熒光分子，量子產(chǎn)率達(dá)95%?！捌渌夹g(shù)根本無法接近這一產(chǎn)率?！丙溈说つ釥枅猿终f。

包括帕帕康斯坦丁努在內(nèi)的大部分競爭者都采用有機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。“把一張報紙放在太陽下，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導(dǎo)致使用有機光伏（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驗室（NREL）的光伏專家莎拉·庫爾茨（SarahKurtz）也贊同這一觀點?！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。

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，但沒有透露何時將出售基于該項技術(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）堅持說，他的公司承諾要接近標(biāo)準(zhǔn)窗戶的價格——根據(jù)弗里多尼亞集團的說法，能持續(xù)隔熱的窗格玻璃的價格約為每平方米500美元。

太陽能窗科技公司的另一個目標(biāo)是使窗戶允許高達(dá)85%的可見光透過，同時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，而這一點太陽能窗科技公司尚未準(zhǔn)備披露。

但估計功率輸出其實并不難。通常情況下，地球表面對太陽能的吸收功率約為每平方米1000瓦。如果一個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個手機充電器供電。

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%?！?她補充說，穩(wěn)定性也是一大問題，實驗室結(jié)果顯示，使用當(dāng)前材料的有機光伏窗戶“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爭，將透明的有機光伏涂層玻璃推向市場。但她認(rèn)為，因為實現(xiàn)效率目標(biāo)和擴大生產(chǎn)都存在挑戰(zhàn)，因此各公司的商業(yè)化努力仍然處于“一個非常初期的階段”。

對商業(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-無機物質(zhì)——給人們帶來的興奮。

該技術(shù)與有機光伏技術(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。他們在標(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)品的建筑到來的時間會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驗室的庫爾茨稱，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涂層還是其他技術(shù)最先實現(xiàn)商業(yè)化。事實上，如果競爭對手率先解決了監(jiān)管、建筑設(shè)計和實用性這些基本的挑戰(zhàn)，他也會同樣歡迎。“最終，我們的材料會勝過任何其他技術(shù)?！彼f。他或許可以如愿以償，因為至少有一家公司已經(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)集成方面的一些實際挑戰(zhàn)正在得到解決。可以很明顯地看到，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。”O(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服務(wù)的項目經(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個月后，工人們才解決了這個問題，系統(tǒng)現(xiàn)在運行正常。

Onyx的工廠自2015年投入運營以來，已經(jīng)在一些高端建筑中安裝了太陽能板，包括邁阿密熱火隊的籃球館。Onyx聲稱，產(chǎn)品安裝后，可在不到1年的時間里收回成本。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驗室的庫爾茨則沒有這么肯定。“為了評估這些特定產(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算的。”她提醒說，“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，這是他團隊自己研發(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、計算機和手機，庫爾茨稱之為“萬物光伏”。這些應(yīng)用對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)對硅面板透明化程度的限制，公司可能無法享有廣泛的市場。

因此，真正的太陽能窗競賽仍在繼續(xù)，即使最有希望的競爭者——牛津光伏公司的鈣鈦礦技術(shù)——也仍需要數(shù)年的時間。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光伏技術(shù)可能會在今年上市，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。

幸運的是，這個過程已經(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大廈成為世界上最早的零能耗建筑之一。對于我們?yōu)槭裁葱枰獎?chuàng)新，福斯特的話已經(jīng)引起了廣泛而深遠(yuǎn)的共鳴，同時也強調(diào)了太陽能窗如此重要的原因：“太陽能建筑與時尚無關(guān)，而與我們的生存息息相關(guān)?！?/p>