在未来 20 年，全球 50% 至 100% 的能源将来自于太阳能。如今，全球石油和天然气是关乎 4 万亿美元的庞大业务，尽管 2015 年美国 67% 的发电来自于化石燃料（煤、天然气和石油），但这种能源结构即将发生天翻地覆的变化。
不可否认，我们正处于太阳能革命的风口上，太阳能电池成本将会直线下降，能源转换率将会急剧上升，而且推广部署的动机将会变得非常诱人。这篇博文是关于太阳能变革的上篇，本文阐述了太阳能领域正在进行的变化，并重点关注近期发现名为「钙钛矿」（Perovskite）的光伏材料，及其对社会所产生的巨大影响。
当代太阳能：承上启下
在过去的数十年间，在太阳能领域中使用最广泛的材料来自于「硅」（Silicon）。早在 1953 年，就已经成功研发了硅材质的太阳能电池；数年之后，首个商业太阳能电池问世。然而令人遗憾的是，首批商用太阳能电池超出了普通消费者的承受能力范围，且能源的转换率相当的低。
在经过数十年的科技积累，硅材质的太阳能电池已经变得日益实惠和高效，且大部分太阳能面板平均能源转换率在 14% 至 18% 之间，而 1954 年的能源转换率仅仅只有 6%；现在每瓦电费用甚至可以低至 3 美元，而在 1956 年则需要惊人的 300 美元。
尽管太阳能目前在美国发电量的占比仅仅只有 0.4%，但太阳能在未来十年将会呈现巨大增长。美国境内，今年太阳能发电量相比较去年预计将会增长 25% 至 50%，而在全球太阳能发电量预计增幅为 30%。
下方的图表中表明了近年来全球光伏行业发展和发电量的比例：
这张图表中所显示的影响力是惊人的，无论是从环保角度还是经济角度。而且，我们不妨来做一些测算，以 30% 的年增长率计算，在未来 5 年太阳能在美国地区发电量占比会从 0.4% 跃升至 1.5%；在未来 10 年，将攀升至 5.5%；而在未来 15 年，这个数字将会变成 20%，而在未来 21 年，太阳能的占有量将会达到 98%。
而且更为有趣的是，号称将全面改变光伏产业面貌的新材料引入将会加速这个进程推进。接下来让我们深度剖析下这个新材料。
什么是钙钛矿？
在今年召开的 Abundance 360 峰会上，德勤公司先进材料与制造部门专家杰夫·卡尔贝克（Jeff Carbeck）非常激动地向我们展示了名为「钙钛矿」这种全新材质。
钙钛矿是一种比现有硅材料解决方案更高效、廉价且具备通用性的光敏晶体。在过去短短的五年间，钙钛矿的能源转换率增幅明显--从 4% 激升至接近 20%，使其成为光伏行业历史上发展最快的技术，没有之一。
早在 2009 年，科学家就已经对钙钛矿进行各项实验，使其作为染料来吸收太阳光并创建充电，随后进行分离并协同半导体产生能量。在 2012 年，科学家意识到钙钛矿本身就能作为半导体使用，开始广泛测试用于太阳能电池。
由于钙钛矿的生产工艺，钙钛矿太阳能电池要比硅电池有着以下重要的优势和不足。
优势：
1. 成本： 用于创建钙钛矿的原料非常容易获得且合成成本并不贵，而且整个加工过程在相对低的环境（100 摄氏度）就能完成。硅电池通常需要加热到 900 摄氏度以上才能清除杂质，这无疑是非常高昂的代价。预估推算钙钛矿太阳能电池每瓦电的成本只需要 10 到 20 美分；而传统基于硅的太阳能面板每瓦需要 75 美分，是前者的 3-8 倍，这也让太阳能面板让普通消费者更能承担得起。
2. 多用途： 钙钛矿管具备薄、柔和轻的结构特性，同硅材质厚、重和硬的易脆特性有着天然的优势。因此钙钛矿的用途非常广泛，理论上可以安装至屋顶木瓦、窗户甚至是任意想到的平面。而这种多用途必然会进一步推动太阳能电池规模迈上新的台阶，最终将会消除对化石燃料的依赖。
3. 高效： 正如上文提及的，钙钛矿的转换效率在过去五年间从 4% 增长至接近 20%。然而这仅仅只是开端，从理论上钙钛矿的转换效率上限为 66%，而硅材质理论上限则是 32%。
不足：
1. 安全性： 钙钛矿的成分之一是铅（lead），这种一种剧毒金属。所以，任何钙钛矿太阳能电池都必须要经过一系列严苛的安全测试从而确保铅不会成为潜在的危险因素。然而，研究人员指出，尽管铅含量非常的低，但也会对环境造成负面影响。目前已经有两家实验室用锡（tin）成功生产了无铅钙钛矿电池，从而完全消除这个负面影响。
2. 耐用性： 目前主流商业硅太阳能电池都具备 25 年保修，但是当钙钛矿接触水分的时候能够在数小时之内完全降解。然而，新的研究已经找到了突破口。研究人员已经创建了新型钙钛矿光伏，世界上移除尝试降解的涂层，创建能够稳定操作 1000 小时以上的材质（是科研人员主动停止测试）。
叠层太阳能电池：
一个非常有趣的解决方案是混合钙钛矿和其他光伏材料打造出更高效的系统。香港科学家近日报告称已经成功混合了钙钛矿和硅来创建一个叠层太阳能电池，从而创新了全球能源转换率上限--25.5%。
太阳能拥有不同的波长，不同材料的混合解决方案能够让太阳能电池更好的进行能量吸收。
例如，碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）和硅材质打造的太阳能电池能够形成优势互补。将钙钛矿太阳能作为顶层，能够吸收短波光量；而底层则附上硅材质，，能够吸收长波光量。
对太阳能的启示：
世界能源对太阳能寄予厚望，而且这种希望已经非常接近于现实。当前人类每年所消耗电量是 16 兆瓦 (2008 年的数字)，每年辐射到地球上的能量达 1813 亿吨标准煤，相当于全世界年需要能量总和的 5000 倍。同样重要的是，如何将这些技术成果转换成为商业业务。
在 21 世纪 10 年代初进入低迷状态之后，很多企业家和投资者对太阳能持谨慎态度，毕竟很多太阳能公司在获得巨额融资之后因管理不善而倒闭。尽管这样，依然有很多非常有前途的初创企业着手研发各种太阳能解决方案，而且我们坚信我们能够在明年看到钙钛矿太阳能电池商用。
每天都有新的研发成果公布，为我们展望了一个充沛能源、干净水资源和无限可能的未来世界。这必然会是材料科学的一次激动人心时刻，更是人类生存的激动人心时刻。
