图像学分：塔拉Dhakal
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随着发展中国家走向工业化，全球对能源的需求每时每刻都在增加。专家估计，到2050年，全球对电力的需求可能达到30太瓦。举例来说，1太瓦的功率大致相当于13亿匹马的功率。
来自阳光的能量是无限的 - 太阳在任何特定的瞬间提供120,000次电源 - 它是免费的。但今天太阳能仅提供了世界上电力的约1％。将光能转换为可用的电能，这一批判性挑战使得更便宜。
为此，我们需要找到吸收阳光的材料，并有效地将其转换为电力。此外，我们希望这些材料丰富，环境良好，且经济效益，可以制造成太阳能设备。
来自世界各地的研究人员正在努力开发太阳能电池技术，这些技术有效且价格实惠。目标是将太阳能电力的安装成本低于每瓦低1美元，而今天每瓦300美元。
在Binghamton University的自主太阳能（Casp）中心，我们正在调查使用丰富的性质和无毒的材料制造薄膜太阳能电池。我们希望开发可靠的太阳能电池，在将阳光转换为电力和廉价的制造时高效。我们已经确定了两种具有巨大潜力作为太阳能吸收剂的材料：黄铁矿，因为它的金属光泽而被称为傻瓜的金子;和铜 - 锌 - 硫化锌（CZT）。
寻求理想的材料
今天的商业太阳能电池是由三种材料之一制成的:硅、碲化镉(CdTe)或铜铟镓硒(CIGS)。每个都有长处和短处。
硅太阳能电池高效，转化为25％的阳光，落在电力中。硅也非常耐用。然而，将硅处理成晶圆非常昂贵。这些晶片必须非常厚（约0.3毫米，这对于太阳能电池厚），以吸收落在它们上的所有阳光，这进一步提高了成本。
硅太阳能电池——通常被称为第一代太阳能电池——被用于屋顶上常见的面板。我们中心正在研究另一种类型的薄膜太阳能电池，这是下一代太阳能技术。顾名思义，薄膜太阳能电池是在玻璃或塑料等通常具有柔韧性的基片上覆盖一层薄薄的太阳能吸收材料制成的。
这些太阳能电池使用更少的材料，因此它们比由硅制成的晶体太阳能电池便宜。涂覆在柔性基板上的晶体硅涂覆晶体硅，因此我们需要用作太阳能吸收器的不同材料。
虽然薄膜太阳能技术正在迅速改善，但今天薄膜太阳能电池中的一些材料稀缺或危险。例如，CDTE中的镉对所有生物具有高毒性，并且已知在人类中引起癌症。Cdte可以在高温下分离成镉和碲（例如，在实验室或房屋火灾中），造成严重的吸入风险。
我们正在使用黄铁矿和CZTS，因为它们无毒且非常便宜。CZTS的成本约为每瓦0.005美分，而黄铁矿的成本仅为每瓦0.000002美分。它们也是地壳中含量最丰富的物质之一，能有效地吸收阳光的可见光谱。这些薄膜可以薄到1/1000毫米。
到目前为止，细胞是低效的
我们需要将这些材料结晶，然后才能将它们制成太阳能电池。这是通过加热来实现的。CZTS在600摄氏度以下结晶，而硅的结晶温度为1200摄氏度或更高，这使得CZTS的加工成本更低。它的性能很像高效的铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池，现在已经可以在市场上买到，但它用更便宜、更丰富的锌和锡取代了这些电池中的铟和镓。
然而，到目前为止，CZTS太阳能电池相对效率低：它们的转换距离电力落在电力上的阳光下较小，而更昂贵的CIGS太阳能电池的20％相比。
我们知道CZTS太阳能电池有可能达到30%的效率。主要的挑战是1)合成没有任何杂质痕迹的高质量CZTS薄膜，2)为其下面的“缓冲”层找到合适的材料，这有助于收集阳光在吸收层中产生的电荷。我们实验室生产了CZTS薄膜，效率为7%;我们希望通过合成高质量的CZTS层和寻找合适的缓冲层，能很快达到15%的效率。
黄铁矿有稳定性问题
黄铁矿是另一种可以在非常低的温度下合成的潜在吸收剂。我们的实验室已经合成了黄铁矿薄膜，现在我们正致力于将这些薄膜封装到太阳能电池中。这个过程很有挑战性，因为黄铁矿暴露在高温和湿气中很容易分解。我们正在研究如何使其更稳定，而不影响其太阳能吸收和机械性能。如果我们能解决这个问题，“愚人的黄金”就能变成一个智能光伏装置。
在最近的一项研究中，斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员估计，到2050年，太阳能将为美国提供高达45%的电力。为了实现这一目标，我们需要不断降低太阳能的成本，并找到使太阳能电池更可持续的方法。我们相信，丰富的，无毒的材料是实现太阳能潜力的关键。
塔拉·p·达卡尔(Tara P. Dhakal)是纽约州立大学宾汉姆顿大学(Binghamton University, State University of New York)电子与计算机工程助理教授。本文最初发表于谈话的内容。
16评论
很重要的是很重要的吗？
如果能达到30%那就太好了。然而，如果价格能降得足够低，即使是13%的高效电池也完全可以接受。那里有很多可用的空间。停车场、人行道遮阳、工业园区屋顶遮阳等。
只是不是那些太阳能公路!糟糕的数学支持了糟糕的想法。
佩罗夫斯基特一直在达到青少年的效率
钙钛矿本身在效率上处于15岁左右，但还存在尚未解决的稳定性/寿命问题。在硅电池上使用不同的光谱来覆盖钙钛矿层是可能的，但在钙钛矿的其他问题解决之前，还没有考虑过商业产品。
效率对于在房地产被限制的负荷受到限制的载荷中，效率非常重要（例如，在您的屋顶上），较少的公用事业级太阳能电场。但是对于太阳能电场的房地产数量的额外成本，并且需要对负载的电力所需的网格基础设施。效率仍然值得支付一些东西，因为它在仪表的比率Payer侧面。
什么，不是"该死的太阳能公路"的粉丝？:-)每英里花同样的钱，你可以建造5-10倍数量的“阳光遮蔽的道路”，让一些阳光和大部分雨水远离人行道和汽车。作为一项技术工程挑战，由于需要解决的问题的范围和复杂性，太阳能公路是有趣的，但它绝对不是发电的解决方案，永远也不会是。
效率不是今天太阳能的问题
我同意纳森。跑来跑来谈论“低效的太阳能”是有害的;它劝阻人们考虑太阳能。如今，更高的效率面板简单地转化为较少的空间，今天可使用太阳能的空间不是问题。另一方面，每瓦（或每兆瓦）的成本仍然是一个重要因素。
很高兴继续前进效率，以及改善的材料，以降低成本和环境影响。但“太阳能没有效率”的模因需要消失，很快就会离开。根据环评，现有的煤炭植物效率仅为32％。没有人在说“哦，但煤炭植物如此效率低下！”
@Dana，真实的，一些屋顶是空间受限的。但我的屋顶只有12个相对低效的230W板块，在斯多尼亚明尼苏达州，我仍然生产75％的家庭电气用途。空间约束的房屋可能只需要更多的LED来为他们制作太阳能工作。;）
今天的效率不是问题，但低效率会是问题
光伏电池的成本是太阳能安装成本的减少。其中许多其他成本与面积，而不是电源，所以牺牲效率降低成本的选择可能会出现并咬你，即使它们是零成本，在某些点低效率的细胞也是无趣的，因为它们是零成本，所以安装它们将超过购买和安装传统模块的成本。
此外，在屋顶上很容易找到支持LED灯、炉子、热水器和连接GBA.com的空间，但如果你想在寒冷的气候中提供热量和给电动汽车充电，就有必要充分利用空间。
许多住宅用光伏是对效率和自然的犯罪
我写了一篇较长的回复，但当我在打字时，我按下了键盘上的一个按钮，在我还没来得及发表评论时，所有的评论就从框中消失了。这令人沮丧，所以这里是简短的版本。
1.我相信大多数人（住宅）可能会不太关心PV效率（在任何级别），他们甚至不知道它的意思。它们通常不会采取行动，以在安装PV之前降低其能量需求。无法满足可用屋顶空间的电力需求。
2.电力购买协议(PPA)供应商的社会责任更大。我经常在马里兰州中心走动，经常看到新的住宅光伏装置(院子里有PPA标志)，它们在方位和遮阳方面很少考虑效率。很明显，PPA采购供应商赢得了巨大的胜利，没有任何需要或担心效率。
1和2是当前居民光伏的事实，这是对效率和自然的犯罪。如果我参与到提高PV转换效率的工作中来，我将更加感到不安。
Eric暗示说，也许人们需要更多的led，但这是保守的说法。目前的住宅光伏部署活动就像在一辆有方轮的汽车上安装一个高效的引擎。这就好像大自然进化出了一棵树叶能进行高效光合作用的树，但这棵树有许多巨大的树枝，根本没有叶子。
我是目前在这个GBA网站上的文章的作者，叫做旧的漫步房子阳光越来越高。看//m.etiketa4.com/homes/making-old-tract-house-sunnier-and-more-efficient。
我决不声称自己是效率专家，也决不声称自己已尽了所能。但我至少试着认识到效率的重要性。如果不减少我的需求(从16千瓦时/年)，我不会马上使用PV。大约6772千瓦时/年)，并努力尊重方位角/遮光，然后我就会在我的汽车上安装方形车轮。虽然我的车顶面积很小，但目前足以提供我大约125%的负载(希望有电动汽车)。
对Rick Miller的回应
里克,
你是一半的权利。当然安装LED有意义。但信封改进了吗？也许不会。PV越来越便宜，PV现在击败了许多信封措施。我们可能需要根据这一事实重新调整我们的思考。
有关此主题的更多信息，请参见绝缘多少太多了？
马丁，你只关心钱
我不同意你说我只说对了一半的说法，我对一切都是出于金钱考虑的说法感到愤怒，而这些考虑往往只是首先的投机。
实际上，我刚刚拥有足够的GBA，最终让我相信你是MoneyGreeners - 这意味着你对绿色原则和设计的兴趣很小，超越了它的赚钱。近来，我减少了我的评论和GBA之后，并将这样做。很可能我甚至不会看到你对此的回应。
对Rick Miller的回应
里克,
我当然希望你重新考虑——我们想继续在GBA上听到你的声音。成为我们社区的一员。
我可以向你保证(尽管你可能不相信我)，我对从“绿色”营销中赚钱不感兴趣。然而，我对能源建模结果、能源监测数据和成本分析很感兴趣，因为这些工具可以帮助绿色建设者知道哪些投资是最有意义的。没有这种分析，我们就是在盲目飞行。
钱钱钱
瑞克，我一直觉得GBA关于成本权衡的文章对设计或安装节能措施的人们来说并不是那么多，尽可能认识到大多数房主/买家有有限的财政资源，并且必须在课程他们选择在选项之间。
是的，超级绝缘会很好和现场有pv动力迷你分裂热。但也许你的银行账户根本负担不起。也许你可以做超级绝缘，要么有现场PV。在这种情况下，我们有必要看看“物有所值”的方案(用避免排放来衡量“物有所值”)。
效率更高，您可以覆盖150％（@ Eric，＃3）
使用两倍的效率，您可以满足目前使用的150%的电力……
......以及覆盖电动汽车的电源。
led是通往净零的道路上最便宜的果实，比生命周期内的光伏发电便宜得多。照明的能源消耗总量的一小部分平均我们回家是介于5 -总数的15%,远远落后于热水供热供暖和空调,和改变led节能灯(甚至白炽灯)是不可能成就或者毁掉一个PV的决定——这是两个面板。
在你的社区，排水热交换器可能仍然是一个更好的生命周期投资，比更多的光伏，但它取决于你用多少你的淋浴，你如何加热你的水。
我自己的屋顶无法容纳十几个15％的效率230瓦板，（以可恶的能量转换效率:-)），尽管所有高效的照明和电器，但我的家庭年度电力使用的超过20-25％。（必须是狂欢的韩国电视和宝莱坞小鸡 - 在Netflix上推动电力账单，是的...... :-)）
Rick: MD不是有一些关于PV方向和阴影因素的标准吗?听起来好像有很多黑客安装在你的本地光伏业务…
指出不同的方法有不同的成本和收益并不等同于“Moneygreener”行为。在一个资本有限、成本不断变化的世界里，跟踪不同方法的移动成本/收益是很重要的。在某一地点和时间具有明显成本效益的超级绝缘水平，在另一地点和时间并不总是相同的。PV上的指数成本曲线衰减并没有停止，而且近年来一直在跨越各种阈值。地下室板下一英尺泡沫的环境足迹也发生了变化，但从成本或环境角度来看，它的生命周期效益可能不再合理，因为热泵和光伏效率已经提高，它们的生命周期(环境)成本已经下降。
DANA的问题[响应号码2]
我正试图了解以下句子的含义：
它可以在硅细胞上使用不同的光谱层层，并朝北为30％
是，你是说两个不同的光电池可以在另一个在不同波长下用两个收集辐射[光子]堆叠一个不同的光电池？如果我理解正确，在这种情况下，基于硅基的光电池将用作钙钛矿膜的基板。是正确的图片吗？如果我有正确的话，我的下一个问题是为什么在两个层系统中停止，只要您能够以具有外膜的波长的高透射系数来增长外部薄膜。那有意义吗？
你有它！（@ Antonio Oliver，＃11）
是的，薄膜可以应用在一些标准的硅光伏上，以利用更多的光谱。它降低了到达硅电池的总光量，但这远远超过了薄膜电池输出的光量。理论上你可以继续添加更多层，但我认为回报会迅速减少。
在着手三层+技术之前，最好先开发一种钙钛矿技术，这种技术的稳定性足以和当前的硅光伏电池一样长，然后再看看将其与硅电池结合是否有意义。钙钛矿的世界纪录是大约20-21%，但如果它在几周内就退化为垃圾(即使是今天最好的版本，有些也只能使用几个小时)，它要成为任何实际解决方案仍有很长的路要走。但现在有很多研究正在进行，试图找到实现这一目标的神奇过程，实验混合动力车的转换效率已经达到了25%以上:
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160412104814.htm
介意您，在高价生产中，北方有20％的转换效率的硅板，更多的范围即将推出您附近的光伏制造工厂：
http://www.greentechmedia.com/articles/read/is-solarcitys-new-pv-module-the-worlds- mist-rooftop-solar-pane.
发光二极管
好吧，我对LED的评论有点轻率;我的观点是，效率通常比光伏便宜得多。我把家里的电费削减了一半，然后增加了PV。
并肯定，使用更高效的面板，我可以涵盖我的全部房屋。更重要的是，ev。带有口袋大小的反应堆，我可以覆盖块。;）
我的主要观点是，我们今天对于PV所拥有的东西是有效的，而且是有效的。它绝对有效，可以在许多情况下使用，成本效益高——关于“低效率”的喋喋不休劝阻人们继续使用我们现有的东西。即使10年后可能会达到100%，但75%的覆盖率也远高于0%。
太阳能电池效率和堆叠电池。
以下是按类型划分的最佳电池效率图表:http://www.nrech.gov/ncpv/images/efficitiency_chart.jpg.（它> 3MB所以我无法附加）。评论“到目前为止，细胞效率低下”有点孤心！46％是最好的！
至于堆叠的细胞：两四个不同的光电池已在另一个顶部堆叠一个，但效果对地面应用是不利的。当太阳光谱移位 - 就像在早晨或下午 - 细胞变得不平衡，而不是高效。他们在卫星上很伟大，因为没有天气。
为堆积的细胞获得了每瓦的价格？
超效率空间级的东西只有相对于每单位重量发射的极端成本才有成本效益。在未来几十年里，我不认为任何接近40%的效率在住宅屋顶应用上具有商业可行性，但它也不是必须的。
五个效率薄膜PV真的便宜，但由于房地产限制，住宅屋顶应用的住宅屋顶应用得不到。单独的货架成本在效用规模项目中的效率下，单独降低到对晶体硅或CDTE的竞争力。
商业上可获得的15-20％效率硅和Cdte面板足以值得挂在屋顶上，而且肯定不值得等待下一代30％+效率2-堆叠的细胞的东西，鉴于它有多早在发展阶段。甚至让单层钙钛矿细胞到商业生产是高度投机的创业梦想的东西，但至少有些梦想家正在获得风险资金：
http://www.oxfordpv.com/Technology
虽然硅光伏仍在学习中，但很明显，到2030年它将成为最便宜的能源形式，但这并不是说钙钛矿技术在那之前就不能取代硅在太阳中的地位。钙钛矿的前景在于，考虑到钙钛矿的材料和生产能量是多么的吝啬，它可以便宜得离谱。实验室样品效率已经在屋顶光伏的竞争范围，所以如果稳定性问题可以解决，它将创造一个新的范例。
研究主题
我只是想感谢作者从研究的角度发表了一篇文章。这在GBA中很少见，也很有趣。你所说的低成本、高效率和无毒的目标是正确的，从长远来看是值得的。继续干得好!
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