未来的摩天大楼将通过光伏窗收集太阳能。
这是从伦敦大学学院爱俄尼斯·帕帕康斯坦提诺（Ioannis Papakonstantinou）办公室所看到的景象，这里提供了关于浪费机会的很好视角。他指向大学医院大楼，这是一座高大的长方形建筑，镶嵌着装饰性的绿色玻璃条块。这些玻璃条块看起来很具现代气息，但是没有任何用处，甚至连透光功能都没有
帕帕康斯坦提诺自问自答道：“他们用这些绿色玻璃表面做什么？没有任何用处。他们是否曾经将传统的太阳能电池板安装在上面了呢？从来没有。”
许多人梦想着将玻璃面板转化为可以直接整合到建筑中的光伏模块，既能作为装饰也可以用于透视。帕帕康斯坦提诺是其中之一，正如许多集团和公司所做的一样，他的实验室正在利用不同的方法开发太阳能窗，有些公司已经将太阳能窗安装到建筑物上。
这显然很有吸引力。这种太阳能窗会不知不觉地为整栋建筑提供能源，同时能够使居住者望见窗外的街道、享受自然光线、观赏高处飘过的云朵。
弗里多尼亚集团表示：到2020年，在全世界范围内，每年将要安装83亿平方米的平板玻璃。这么大的面积，如果在理想的方向上用标准太阳能电池板覆盖，高峰期产出的功率将会超过1太瓦，在1年的时间里将会产出大约2190太瓦时的电量，占2016年全世界耗电量的9%。如果在2017年用这些能源替代煤炭的话，就能够将化石燃料碳排放、工业碳排放以及森林和土地使用变化所带来的碳排放减少1.6%。
强大的监管力量正在促使太阳能窗及其所带来的环境效益变为现实。欧盟发出指令性要求，到2020年年底，所有的新建筑都要达到“接近零能耗”标准。福岛第一核电站的核灾难之后，日本要求所有新建公共建筑物在2020年前都要实现零能耗。
太阳能窗永远都不会像传统太阳能电池板那样高效，当然是因为窗户必须保持至少部分透明。然而，太阳能窗能够创造出小型光伏电源组成的庞大网络。开发商认为，太阳能窗在能耗方面节省的钱能够抵消安装费用。
意大利罗马大学的托马斯·布朗（ThomasBrown）曾经开发过太阳能窗，据他讲，成本差异已经很小了。他说：往窗户材料上添加发电组件，在不到10年的时间里就能收回成本。现在有各种技术，每一项技术的成本和特点有所不同。因此，目前正在进行的开发工作将会决定一项技术是否会被广泛采用，一旦被广泛采用，也就确定了诸多方法中的哪一种将会占有主导地位。
在1954年，美国电话电报公司（AT＆T）的贝尔电话实验室推出了基于硅的技术，使光伏电池实现了商业化。当今，屋顶太阳能电池板仍常常使用这种电池。当光子击中硅晶格中的电子时，电子被推入更高的能级，留下带正电的空穴，然后电子和空穴朝相反的方向移动，通过硅层移向电池的电极，产生电流。
从理想的角度来讲，标准的太阳能电池板可以获取每个光子。然而，代替窗户的太阳能电池板只有吸收特定的光子才会有用，特别是吸收紫外波长和红外波长的光子。紫外光子可以使颜色淡化，而且对人体有害；红外光子会升高室内温度。为了阻挡这些光子，通常会给正常的窗玻璃加上低辐射涂层，但是这种涂层也会阻挡至少10%的入射可见光。太阳能外层可以利用这些通常被阻挡的频段来发电。
UbiQD公司的玻璃原型使用量子点技术，照射到玻璃上的光线侧向分流到框架中的太阳能电池中
这种易弯曲的发光太阳能聚光器是伦敦大学学院制造的，可以将光线导向安装太阳能电池的边缘处，这种技术可以用来改进太阳能窗和光伏发电的其他应用
但是，要将发电组件装入窗户是有难度的，通常窗户也必须要符合严格的稳定性标准，这些挑战为太阳能窗的生产和销售带来了困难。
新墨西哥州UbiQD公司执行总裁亨特·麦克丹尼尔（HunterMcDaniel）深信，其公司的技术在这些领域拥有关键的优势。公司名称中的“QD”代表量子点（quantumdot），这是一种半导体纳米晶体。量子点可以发出荧光，对辐射做出响应后重新发光，属于一类被称为“荧光基团”的物质，广泛用于生化物质标记领域。
量子点也可以嵌入太阳能窗内的透明材料中，以形成发光太阳能聚光器（LSC）。LSC捕获窗玻璃内的光，然后将其重新定向到安装在边缘上的非透明太阳能电池中。吸收入射光线后，荧光基团重新发出一种不同颜色的光，这种光在窗户表面之间跳动，通往太阳能电池，而不会逃逸或被其他量子点吸收。其他一些企业，包括米兰的玻璃电能公司和荷兰代尔夫特的Physee公司在内，也采用了这种方法。
效果最佳的量子点具有很高的量子产率，能够重新释放所吸收的大量光线，释放比例随着光色的不同而有所变化。麦克丹尼尔说：UbiQD公司创造了红外量子点荧光基团，能够形成“色彩中性”的LSC，这种LSC使透过窗户所看到的物品在颜色上不会发生改变，同时具有80%的量子产率。对于可见光荧光基团来说，量子产率高达95%。麦克丹尼尔宣称：“甚至，根本没有其他方法能够接近这一量子产率。”
包括帕帕康斯坦提诺在内的许多竞争者使用有机染料分子作为荧光基团，但是麦克丹尼尔说这些燃料不是特别稳定。他说：“将一张报纸放到阳光下，观察一下油墨褪色有多快，你就明白了。”麦克丹尼尔声称，在太阳能窗中使用有机光伏电池（OPV）会经历同样的分解过程，造成稳定性问题。
麦克丹尼尔和帕帕康斯坦提诺都承认LSC技术仍处于早期研究阶段。美国国家可再生能源实验室（NREL）光伏专家莎拉·库尔茨（SarahKurtz）对这个观点进行了回应，她说：“我还没有看到任何有关这些技术正在投入大规模生产的报道。”
相比之下，经过了十年多的开发之后，马里兰州的太阳能窗技术公司于2017年8月签署了一项合同，开始制造OPV技术产品。
太阳能窗公司最先进的工艺为：将液体喷涂到玻璃上，形成具有多个夹层的固态有机聚合物。中间的夹层是由电子和空穴隔离的聚合物吸收层，其他聚合物层帮助电子和空穴向其电极移动。
2017年太阳能窗公司将其喷涂工艺授予一家总部位于洛杉矶的制造商：三视窗玻璃产业公司。目前，太阳能窗公司已经筹集了购置合作设备所需的资金，但是公司还没有透露何时开始出售基于这种技术的太阳能窗，也没有透露这种产品的价格。然而，据弗里多尼亚集团报道，太阳能窗公司的执行总裁约翰·康克林（JohnConklin）宣称：公司承诺价格会接近标准窗，每平方米的持续隔热窗售价大约为500美元。
太阳能窗公司的另外一个目标是：使玻璃窗透射高达85%的可见光，同时阻挡红外线和紫外线。准确的透明度、颜色和色调将会决定功率输出情况，太阳能窗公司还没有准备透露相关的情况。
但是，估计功率输出情况并不困难。通常，每平方米大约有1000瓦特太阳能照射在地球表面。如果一扇太阳能窗透明度为50%，那么它每平方米将会吸收500瓦特，有机光伏电池的效率（光能转换为电能的百分比）最高为11.5%。如果太阳能窗公司能够提供10%的效率，那么1平方米的太阳能窗峰值输出将是50瓦特，足以为8个手机充电器提供电能。
英国剑桥市IDTechEx公司技术分析师何小希（XiaoxiHe）警告说：OPV面板越大，就越有可能显现出性能差的缺陷。她说：“在大面积的窗子上，可能仅仅达到2%至5%的效率。”她还说道：稳定性也是有问题的，实验室的结果表明，在理想的情况下，使用当今材料的OPV窗只能运行7年或8年。
IDTechEx公司的何小希指出：为了将透明的OPV涂层玻璃推向市场，总部位于加州的普遍能源公司正在跟太阳能窗公司进行竞争。但是她认为：要想达到效率目标和扩大生产规模是具有挑战性的，因此这些公司的商业化努力尚处于最初期的阶段。
人们对一种最新型的光伏材料――钙钛矿――感到兴奋，这是一种有机物和无机物的混合材料。同样，商业化前景问题使人们的兴奋度有所降低。
在西班牙萨拉曼卡市贝雅德市场的屋顶上，奥尼克斯太阳能公司透明度为20％的光伏玻璃模块形成马赛克，峰值功率输出为4.1千瓦
西班牙巴利亚多利德大学露西亚大楼的这个天窗可以实现建筑物的自然采光，同时每年发电高达5 550千瓦时
这项技术类似于OPV技术，只是这里的中间夹层由钙钛矿构成，而不是太阳能窗公司使用的聚合物。然而，跟聚合物吸收器不同，钙钛矿是半导体，这意味着其自身可以传输电子，从而可以压缩或排除夹层中的其他层。钙钛矿的这种性能以及钙钛矿设备容易制造，帮助这类产品提高了效率，从2009年的3.8%提高到了目前的22.7%。
钙钛矿对潮气很敏感，但是英国创业公司――牛津光伏公司称，该公司开发的产品降低了配方的敏感性，并将其紧紧密封，从而解决了这个问题。牛津光伏公司一直致力于太阳能窗的开发，但是现在公司打算将其最先进的防潮产品仅用在常规太阳能电池板上。牛津光伏公司将半透明的钙钛矿层放置于标准的6英寸太阳能硅电池前面，这样生产出来的“串联电池”效率为25%。
牛津光伏公司的这些太阳能电池原型具有不同的颜色，这表明调整钙钛矿组分、使其吸收不同的波长有多么容易
牛津光伏公司首席技术官克里斯·凯斯说：“我担心的是，建筑一体化光伏产品的开发需要很长的时间，我们可能会感到难以承受。”他说，就像任何新材料一样，从1平方厘米的研究电池到生产出足够均匀的600毫米×1200毫米的太阳能窗，还有许多工作要做。因此，牛津光伏公司想要利用较小的硅电池完善其技术，希望日后能够应用到较大的窗口上。
目前，牛津光伏公司原型钙钛矿电池的效率略低于20%。凯斯说，该公司正在与一家企业合作，但并未提及这家企业的名称，该企业可望于2019年将串联电池提供给客户。在凯斯的发展蓝图上，完整的钙钛矿电池，包括太阳能窗在内，还要晚几年才能面世。
国家可再生能源实验室的库尔茨称，随着小型器件的效率仍在上升，钙钛矿技术进展顺利。她说：“我们希望钙钛矿技术能够取得巨大成功，但是我还没有看到大面积设备的相关数据，没有资料表明钙钛矿技术超越了更加成熟的技术所表现出的性能。我认为，在利用该技术投入大规模生产之前，仍然需要做一些研究工作。”
不管是完全有机的涂层还是其他技术，凯斯并不在乎哪一项技术可能会更加接近商业化。事实上，如果他的竞争企业抢先解决了基本的监管、建筑和实际挑战，他也会拍手称快。他说：“我们的材料应该优于其他任何技术。”或许，他能够实现自己的愿望，因为至少有一家公司已经为建筑承包商提供透明太阳能电池了。
我在伦敦办公楼的一楼，注视着七楼的光伏天窗，我看到在一体化过程中遇到的一些实际挑战。窗面产能区中间的颜色显得比周边的玻璃更深，使其更加显眼。
牛津光伏公司首席技术官克里斯·凯斯（Chris Case）手拿一个刚刚从公司试验性装配线上下线的串联太阳能硅电池片，该电池片采用了钙钛矿涂层
这个16米×8米的系统是由西班牙奥尼克斯太阳能公司生产的，该公司利用激光在太阳能板上刻出图案，使其更加透明，将薄膜太阳能硅电池板变为光伏天窗。奥尼克斯太阳能公司执行总裁阿尔瓦罗·贝尔特朗（lvaro Beltrn）解释说：“我们通过激光划片技术去除不透明的硅层和后接点。”该公司的产品透明度范围在不透明到30%透明之间，相比之下，多数太阳镜的透明度在18%到45%之间。
建筑承包商麦克拉伦建筑集团项目经理加文·特恩布尔（GavinTurnbull）解释说，我所在的那栋楼利用的是透明度为20%的产品。我和特恩布尔乘坐电梯来到天窗的正下面，在那里我正好可以看出横跨玻璃的长方形微型太阳能电池。在周围的边缘上，一条导电的铝带将电池连接起来，隐藏于光伏板之间的横梁中，其中还隐藏着更加传统的布线。
特恩布尔说：从根本上来讲，安装天窗很简单。然而，关于如何在光伏板内布线，跟奥尼克斯公司的沟通引起了争执：该天窗最初产生的电能在电压上比预期要高得多。我参观之后大约一个月，工作人员解决了这个问题，目前该系统运行正常。
露西亚大楼的这个图片显示了光伏天窗的照明效果多么自然
自从奥尼克斯公司的工厂于2015年开放以来，其光伏板已经安装在一些高规格建筑中，迈阿密热队的篮球馆也安装了该公司的光伏板。奥尼克斯公司声称，在一年之内就能够将安装费用节省出来。目前，该公司正在制造5500多平方米的半透明光伏玻璃，贝尔特朗称这将是世界上最大的光伏天窗。鉴于该技术利用硅的传统，这种天窗将会适时地安装于新泽西州霍姆德尔市的贝尔-沃克斯大楼上。
据贝尔特朗说，这种天窗的价格比传统的低辐射玻璃仅仅高出10%。例如：在纽约市，安装3400平方米透明度为10%的天窗，每平方米的费用大约为172美元。然而，考虑到激励措施后，额外的费用将会降低，仅为48美元。贝尔特朗声称，考虑到这样的天窗每天平均发电380千瓦时，这笔花费在两年之内即可收回。
为了在伦敦长瑟里巷25号至32号安装光伏天窗，奥尼克斯太阳能公司将这种粗糙的网格刻进薄膜硅面板中
对此，国家可再生能源实验室的库尔茨感到具有不确定性。她提醒道：“要想评估这些特定的产品是否真正为改变世界做好了准备，我们应该询问一下投资回报时间是如何计算的。投资回报时间短就可能意味着他们已经取得了突破性进展，这是令人兴奋的。不然的话，这可能意味着他们找到了一家乐意支付高价的客户单位，这里的高价是相对于非太阳能产品来说的。”
虽然一些新型建筑已经使用类似奥尼克斯公司的产品通过天窗和窗户来发电了，但是对现有的建筑进行改造必然会困难得多，成本也要高得多。然而，我们再回到帕帕康斯坦提诺的办公室，他把自己团队研制的一款LCS产品：一片橙色的方形塑料板装进一扇窗户上。
当把塑料板贴到那里时，我看到LSC的聚光效果使得周围边缘上的光亮度显得比板面上更亮。帕帕康斯坦提诺说：“如果我们想要把这项技术商业化，我们可以将现有大型建筑的窗面改造成发电窗。”伦敦大学学院毕业生马克·波特诺伊（MarkPortnoi）利用这种材料制作了一个250毫米×250毫米的光伏原型，将其整合到商业电池中，在2017年3月份举行的伦敦生态建筑大会上展出。
正如库尔茨所说，这种产品也可以应用在许多日常用品中，如用在汽车、电脑和手机中，库尔茨称之为“物体上的光伏发电”。对于帕帕康斯坦提诺的技术以及牛津光伏公司、太阳能窗公司和UbiQD公司来说，这些应用是很重要的备用。
这些公司很可能需要这种备用技术。奥尼克斯公司已经有一批成功的安装作为支撑，该公司在早期商业推广方面已经处于领先地位。另一方面，由于激光刻蚀使硅面板透明的程度受到限制，该公司可能不会占有广泛的市场，除非公司能够进行革命性的创新。
西班牙格拉纳达的珍优大楼安装了550平方米的光伏玻璃，透明度为20%
因此，在真正的太阳能窗技术领域仍然存在竞争。即使最有希望的竞争企业――牛津光伏公司，凭借其钙钛矿技术，仍需在几年之后才能推出太阳能窗产品，UbiQD公司和帕帕康斯坦提诺的LSC技术也是如此。太阳能窗公司的OPV技术有可能在今年推向市场，如果真的是这样，该公司仍然必须使人们相信其技术已经真正足够成熟。
幸运的是，这个过程已经持续了20多年。20世纪90年代，建筑大师诺曼·福斯特爵士（SirNormanFoster）使用了一种创新的非光电的“光雕”技术，使柏林的国会大厦成为世界上首批零能耗建筑之一。至于为什么我们需要这种创新，他所说的话已经引起了广泛的共鸣，而且强调了为什么太阳能窗户会变得如此重要。福斯特宣称：“太阳能建筑不是关乎时尚，而是关乎生存。”
资料来源 IEEE Spectrum
责任编辑 岳峰
――――――――――
本文作者安迪· 埃克坦斯（Andy Extance）是英国埃克塞特的科学创作自由撰稿人。