人类未来需要什么样的能源？回答这个问题，第一个角度是能源的规模，即需要多少能源。联合国预测：从2020年到2050年，地球人口估计会从76亿膨胀到近100亿，比人口增长规模更迅速的是人类对于能源的消耗速度，会从目前15太瓦大幅翻倍到30太瓦。
1太瓦，即1万亿瓦。换算成耗电，相当于每小时耗10亿度电，每年耗8.76万亿度电，这是令人难以想象的用电规模。
第二个角度是人类使用的能源对气候的影响。大家能切身体会到这几年夏天的温度越来越高，从近100年的气候统计来看，近十年是人类有史以来最热的十年，地面平均温度相对于100年前，已经整整提升了1.1度，且还在不断提升。
▲近百年地球气温统计
全球气候变暖，会导致很多链式反应，比如极端天气和自然灾害。科学家们认为地球气候有十几个“敏感神经”，这些“敏感神经”的影响范围都在1000公里以上，甚至可以达到半球，乃至影响全球气候。
全球气候十几个“敏感神经”中，目前已经有九个被气候变暖激发了，包括北冰洋、北极、南极的冰面大幅消减，格陵兰岛冰面大幅消减，大西洋的洋流减缓，亚马逊森林干旱等，都是以往不常见的。
更可怕的是，这些已经被触发的“敏感神经”，就像多米诺骨牌一样，会进一步触发其他“敏感神经”达到临界点，有可能使气候更加恶化，人类的生存环境出现更大危机。
如此大的环境、气候问题是谁造成的？科学家公认是人类活动造成的。从19世纪工业化开始，人类就大量使用煤、石油、天然气等化石能源，排放出大量二氧化碳、甲烷等温室气体，且近50年来，温室气体排放总量飞速增长。目前每年排放的二氧化碳总量已达400亿吨，已是1950年的7倍。短时间内大规模排放二氧化碳等温室气体，导致地球消化不良，热平衡紊乱，温室效应急剧增强。
▲二氧化碳排放量统计
其实，自然界本身就存在温室效应，否则地球早已变成冰封世界，自然的温室效应是人类需要的，但人类的活动已经导致温室效应过度。也许大家想不到，整个畜牧业排放的温室气体已经占到15%以上。
回归主题，未来需要怎样的能源？从上述两个角度来说，为了避免地球升温1.5度以上，需要尽快对碳排放踩刹车，10年内碳排放应尽快达到顶峰并开始下降，在一代人的时间范围内，让碳的排放总量达到大自然的中和水平，这就是碳达峰、碳中和的目标。
任务非常重，时间非常紧，因为这个踩刹车不是踩汽车的刹车，也不是踩火车的刹车，而是对400亿吨二氧化碳排放踩刹车。为了实现这个目标，未来至少需要创造和使用15太瓦绿色零碳清洁能源，才能保证地球升温控制在1.5度以内。
为什么选择太阳能？
人类为什么选择太阳能？地球可再生能源有太阳能、水力、地热、风能、海洋能、生物能源等。其中能够满足15太瓦净零碳能源的，只有太阳能，没有之一。
太阳其实是非常热的气体球体，其表面温度约6000开尔文，难以想象的热。原因是它的核心无时无刻不在进行将氢转化成氦的核聚变。
归功于爱因斯坦，人类知道核聚变释放的能量非常巨大。5月3日，恰巧地球上观测到了太阳爆发的耀斑，人类感受到了太阳能量的强大。虽然这个耀斑只是太阳冒了个泡，打了个饱嗝，但它释放的能量相当于100万次强火山爆发，上百亿枚氢弹爆炸的能量，可以说太阳公公打个饱嗝，地球都要抖三抖。
▲5月3日太阳爆发的耀斑
伴随着太阳耀斑，太阳喷射出了很多物质，一般是带电粒子。这些物质在5月3日喷射后，晃晃悠悠终于在5月11日左右到达地球，产生美丽的极光，正如大家朋友圈都被极光刷了屏。美国、中国、加拿大都可以看到极光。大部分极光是紫红色，低角度的地方还可以看见绿色极光。
只因地球和太阳的距离1.5亿公里非常远，这些物质经过了一个星期才来到地球，正如太阳发出的光线需要500秒才能达到地球。同时，地球直径很小，是太阳直径的1/100，因此地球能接收到的太阳能量，只是太阳能量的22亿分之一，非常少。即便如此，如果能把地球上一个小时接收的太阳能量聚集起来，就已经足够人类使用一年。
另一方面，假设地球表面千分之一的面积都装上太阳能电池板吸收太阳能量，不需要太高的效率，产生的能量也足够世界消耗的40倍。
人类对于太阳能的利用有很多方式，刚才讲的可再生能源，包括生物能源、化石能源、风能、水能，在一定程度上都可以看成是太阳能的间接利用。例如生物能源，可以看成是太阳能被光合作用固定在了植物的生物质里，而风能和水能可以看作是太阳能影响了大气和水循环。
对于太阳能的直接利用，有三种主要方式。第一种方式是热能的直接利用，比如太阳能热水器；第二种是将太阳能汇聚成热能再转变成电，即“热电”；第三种更直接的利用，是将太阳能的光直接转化成电能，即“太阳能电池”或者“光伏发电”。此次主要分享太阳能电池。
例举一个人类大规模使用太阳能的古老故事，即“叙拉古战役”，阿基米德用镜子汇聚太阳光，烧掉敌人的船。虽然不太确定故事的真假，但大家一定都玩过太阳能聚光的游戏，目前人类已经把太阳能聚光这个游戏玩到了极致。
▲敦煌沙漠100兆瓦规模太阳能聚光热电站
上图是中国敦煌沙漠上100兆瓦规模的太阳能聚光热电站。人类可以精确地控制1万多面镜子，将太阳光汇聚在一个200多米的装满盐的高塔上，用光把盐熔化。高温熔盐可进一步把水蒸发，形成高温高压的水蒸气，从而驱动轮机发电，发电效率平均最高可达20%左右。
目前地球上有各种各样的太阳能聚光热电站，区别主要是聚光的方式不同。在敦煌沙漠上，另一种百兆瓦级别的太阳能电站，是一望无际的太阳能电池板发电站，平均效率可达20%左右。
目前中国对于太阳能电池板的利用非常多彩，包括建在山地里的太阳能电池板，建在农业土地田地里的，甚至可以在海上建漂浮式的光伏电站。
▲中国祝融号火星探测车模型
光伏利用一个永恒的主战场就是太空探索。上图是中国火星探测的祝融号火星车。很遗憾，自2022年5月之后，祝融号的太阳能电池板遭遇了火星上的沙尘暴，被沙尘遮住了，使祝融号陷入了休眠。在休眠之前，它在火星上已经工作了358个日夜，工作得非常好，超额完成了任务。目前只能默默期待祝融号创造奇迹，从休眠中回来。
关于光伏效应和太阳能电池
接下来简要介绍光伏效应和太阳能电池的原理。关于太阳能的利用，第一个较大的认知进步，是牛顿的“光谱”概念，他的三棱镜实验将太阳光色散，发现太阳光不是单色光，而是彩虹光谱。但牛顿未曾想到，太阳光谱实际远比彩虹光谱要宽得多。
▲太阳光谱图
上图中这一条蓝线，是地球表面接收到的太阳光谱，彩虹光谱只是太阳光谱中很小一部分。在可见光光谱以外，还存在紫外光谱、红外光谱等肉眼看不见的光谱。看不见的光谱范围内存在的太阳能量占50%以上。做太阳能电池时，经常用到“标准光谱”，就是这条蓝线，其峰值位置是500纳米，通过黑体辐射反推，可知这个光谱对应的太阳表面温度是5800开尔文。以标准光谱照射在地面上，其蕴含的每一平米太阳光能量功率是1000瓦。
第二个认知进步是爱因斯坦的“光子”概念。相对于原先的“光波”概念，光子概念，即光波的能量是以光子为单位组成的，不同颜色的光子，其能量与波长成反比，与振动频率成正比。
例如，红光、绿光、蓝光、紫光的光速相同，但红光的波长最长，频率最小；紫光的波长最短，频率最高。因此根据爱因斯坦的光子能量公式，紫光的光子能量大于蓝光、大于绿光，再大于红光。
在爱因斯坦提出光子理论之前，人们曾发现过一个奇特现象，即“光电效应”：如果用红色光照射某种金属，不论红光的强度多高，都很难激发出电子；但如果用紫色光照射金属，即使光强很弱，也有可能激发出电子。
▲金属中的光电效应
运用爱因斯坦的光子概念来解释，电子是以光子为单位吸收能量，红光的光子能量比紫光的光子能量低。因此电子吸收的红光的能量很低，不足以跑出金属以外，但电子吸收的紫光的光子能量较高，有足够的能量跑出金属。
爱因斯坦实实在在是因为“光子理论”和对金属光电效应的解释才获得诺贝尔奖的，并非因为大家熟知的相对论而获奖。
今天的核心原理，就是太阳能电池的光伏效应是怎么来的？只要把金属中的光电效应的材料换成半导体，就很好理解了。
半导体的能带结构和金属不同，存在半导体禁带。禁带里的电子如果没有获得能量，会被压制，很难跳出禁带。如果电子吸收了能量足够高的光子，就可以从禁带越到更高能量的能带上面。
在此过程中，电子的电势能被提高了，具有了对外做功的能力，就如同用光给半导体充电，然后用来发电，这就是“光伏效应”的简单原理。
人类对于光伏的探索远早于对理论认知。法国科学家贝可勒尔，在1839年就在实验中观察到了“光伏效应”，他被称为“光伏之父”。他的儿子小贝可勒尔，因为发现天然放射性元素，和居里夫人一起获得了诺贝尔物理学奖。
经过牛顿的“光谱概念”和爱因斯坦的“光子概念”这两个理论概念的进步，尚不足以制造高效的太阳能电池。直到1939年，贝尔实验室半导体专家罗素·奥尔在材料和器件结构上实现了突破。他在研究半导体硅时，发现了“P-N结”这种结构，是将具有不同电导特性的硅半导体接触在一起，产生二极管内建电场的结区，这种结区具有单向导电性，可以有效实现光激发电子的分离和提取。
▲空间电荷区内建电场方向
目前，“P-N结”结构是所有高效太阳能电池的基础结构，从光谱、光子再到P-N结的发现，已经离发现光伏效应100年了，同样是贝尔实验室，终于在1954年4月25日发明了第一个现代意义上的高效的太阳能电池，当时的效率只有6%，但相对之前的百分之零点几，已经是巨大进步。
日前，光伏领域庆祝了第一个高效太阳能电池70周岁生日。70年后再看《纽约时报》1954年的评论——“这项发明可能标志着一个新时代的开始，几乎无限的太阳能可供人类文明所用”，我们认为讲的非常正确。
其实太阳能电池诞生初期效率不高，成本也非常昂贵，之所以能存续下来，是因为遇到了很好的历史机遇，当时正处在冷战时期，太空竞争非常激烈，太空飞船、卫星都缺乏好的能量来源。当时最好的能量来源是化学电池，但只能用几天，而太阳能电池可以随时从宇宙的太阳光中获得能量。因此即使初期效率不高，成本昂贵，但在太空应用的帮助下，它存活了下来。
前面多次提到太阳能电池的效率，即“太阳能能量转换效率”，是评价太阳能电池最重要的核心参数，是太阳能电池输出的功率除以照射在它上面的太阳光的功率。
▲太阳能电池效率公式
由于太阳能电池本质是P-N结二极管，因此效率可以通过二极管的光电伏-安特性曲线来测试。那么光伏半导体的太阳能效率极限在哪里？能不能达到百分之百的转换效率？答案是不可能。
每个半导体都存在固定的禁带宽度。对于太阳光宽阔的光谱来说，如果光子的能量低于禁带宽度，就不会被半导体吸收；如果光子能量远高于带隙宽度，就可以被半导体吸收，但会牺牲部分能量，以热能的形式释放出来。所以选择半导体时，禁带宽度存在最优折中，过宽的禁带宽度会导致吸光较少，但开路电压比较高；较小的禁带宽度会导致电压较低，但吸光较多。
1961年，Shockley和Queisser两位科学家经计算得出结论是半导体最优禁带宽度是1.3电子伏左右。在这个禁带宽度下，半导体能够达到的太阳能转换最高效率是33%，和预想的百分之百相差甚远。
带隙过宽或者过窄，都会导致转换效率下降。有什么思路可以超越半导体的光伏转换效率极限？方法就是“叠层电池”的概念。
▲叠层电池极限效率
既然半导体的吸收带隙是固定的，会导致很多浪费，那么用不同带隙的半导体堆叠起来，分别吸收太阳光中不同能量的光子，造成的浪费就比较少，理论极限比单结电池的效率极限有大幅提升，两结叠层电池的极限可达40%以上，无穷结电池的理论极限约在66%左右。
▲美国国家可再生能源实验室光伏世界纪录表
上图是美国可再生能源国家实验室（NREL）发布的太阳能电池效率的世界纪录表，表中每一条线记录的都是一种太阳能材料和器件的效率发展历程。近50年来，人类科学家通过努力，已经至少探索过二三十种不同的太阳能材料和器件，包括III-V族材料、晶硅材料等一些新型材料。
关于太阳能电池的材料和制造
太阳能电池的发展主要可以划分为三代：第一代是晶硅太阳能电池，较厚；第二代是薄膜太阳能电池；第三代太阳能电池，不仅更薄，而且超越了晶硅电池的极限，包括叠层电池、上转换电池、热载流子和热电子电池等新概念电池。这些电池的目的都是突破晶硅太阳能电池的效率极限。根据目前市场占比，最常见的是晶硅太阳能电池，占比95%以上，薄膜电池比较少，只占5%以内。
▲晶硅太阳能电池
先进材料是太阳能电池技术发展的核心。简要介绍几种太阳能电池的材料和制造。上图是晶硅太阳能电池，每一片尺寸约是20厘米的平方，目前占据了95%的市场。制备的材料来源是石英砂，化学名“二氧化硅”。制造太阳能电池，需要把硅从二氧化硅中提纯，制备成多晶硅料，然后做单晶硅锭，再把硅锭切成硅片，用硅片去制造晶硅太阳能电池。
在多晶硅还原工厂生产出来的是高纯度多晶硅，纯度可达99.9999%，因此具有金属光泽。再利用1500度的温度把硅料熔掉，提炼产出硅锭。硅锭的直径可达40多公分，最大的长度比人的高度更长。
目前单晶硅锭是人类可以制备的晶格最完备、体积最大、纯度最高的人工晶体材料。电子级的晶硅纯度可以达到99.999999999%，11个9 ，甚至12个9，这是人类化工领域的一件艺术品。
目前中国的晶硅光伏是中国制造的名片。截至2022年，我国的光伏组件产量、多晶硅产量、光伏装机量、光伏累计装机量都连续十几年排名全球第一。每年生产的太阳能电池片有260GW装机量，组件也有230GW。
GW是什么概念？晶硅太阳能1GW电池产线长度约300~400米，是非常大规模的产业。太阳能电池片每片面积是0.2米×0.2米，效率接近25%。由于太阳能电池太阳能的密度每平米1000W，乘以太阳能电池的面积，再乘以转换效率，每片太阳能电池片的功率是10W。1GW意味着每年要生产1亿片太阳能电池片，每天要生产27万片。因此晶硅太阳能电池的发展已经达到了非常高效和大规模的境界。
我国神舟12号太空飞船上用的太阳能电池是“III-V族砷化镓”材料制作的特殊电池，光电效率比晶硅高很多，可达30%以上。其太阳能电池板展开可达134平米，折叠后只有一本书的厚度。
其结构是基于砷化镓做不同的组分调控，实现三种不同的吸光半导体，并进行耦合，利用叠层结构，组建三结的叠层电池。分别高效地利用太阳光光谱中不同的波段，极限效率可达36%，已经超过晶硅29%的极限。制备方法是分子束外延生长，这种技术目前还比较昂贵，1平方厘米III-V族砷化镓电池，淘宝售价是680元。换算成1平米，价格六、七百万。
而晶硅太阳能电池效率只有20%，比III-V族砷化镓电池低，面积1.5米×1米零售价550元。III-V族这种高效完美的电池，售价是晶硅的1万倍，因此我们面临着超高效和低成本的选择之痛。
做光伏的材料科学家们有个执念，亦或是美好的愿景，希望将这种超高效的电池变成低成本的，可以进入千家万户的技术。像报纸印刷一样，用溶液涂刮，低温低成本的方法制备薄膜太阳能电池，厚度比晶硅薄100倍甚至1000倍，且不需要用能耗高、碳排放多的1500度提纯工艺，这是新型薄膜太阳能电池的追求目标。
再介绍几种光伏材料。2023年的诺贝尔化学奖给了三位科学家：蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）、路易斯·布鲁斯（Louis Brus）和阿列克谢·叶基莫夫（Alexei Ekimov）。他们研究一种神奇的“量子点材料”。
这种材料第一个神奇特点是很小，在纳米级别。
第二个神奇特点是不需要1500度高温制备提纯，只需100到200度溶液法制备环境，就可以高质量制备，成千上亿放大制备。
第三个神奇之处是量子点材料不需要改变组分，只需改变材料尺寸，就可以改变颜色。这是将半导体材料尺寸缩小到特别小的纳米尺寸时发生的神奇现象，即“量子限域效应”。
▲胶体量子点光伏材料
上图中发出不同光的材料，组分都相同，只是量子点的尺寸不同。光伏领域利用此特性，制备了胶体量子点墨水，从电子显微镜看只有几纳米的小颗粒。通过改变尺寸：3纳米、4纳米、5纳米、6纳米，吸收不同范围的光。
更神奇的是，量子点材料可以吸收红外的光和能量，不可见的红外光谱中有50%能量尚未被利用，晶硅只能吸收1100纳米。
下图是本人博士期间的一项工作，做了一个红外胶体量子点太阳能电池，获得了效率的世界纪录，收录在美国新能源的世界纪录表里，对于做光伏的人，这是一个很开心的事。
▲红外胶体量子点太阳能电池
另一种神奇的材料是“钙钛矿光伏材料”，晶体结构“ABX3结构”，它没有钙，也没有钛，因最早在钙钛矿CaTiO3材料中发现而命名为“钙钛矿”。此后所有拥有这种晶体结构的材料都叫钙钛矿，而且地球表面50%以上的矿物都是钙钛矿结构。
钙钛矿和晶硅不同，晶硅只有一个组分“硅”，且需要高纯度的单晶硅，钙钛矿是由很多晶体颗粒形成的多晶膜，不需要单晶膜就可以达到较高的效率，在此之前没有一种多晶膜能达到这样的效率。
▲钙钛矿电池结构
钙钛矿材料很薄，厚度只需要500纳米，头发的1/100，晶硅电池的1/300，就能把光完全吸收，做1平米的钙钛矿太阳能器件，耗材只有1克。因此它可以做刚性的器件，也可以做柔性的器件。
和晶硅需要高温提纯不同，它是低温制备的，只需将钙钛矿粉末溶在溶液中，再涂布和印刷，就可以做太阳能电池。温度在100度以内，碳排放足迹较小。
钙钛矿材料应用在太阳能电池仅十几年的历史。第一个钙钛矿太阳能电池是日本Miyasaka教授发明的，2009年时效率只有3%。目前钙钛矿薄膜电池可以做到1米×2米，效率可达18%以上。晶硅太阳能电池经过了50年发展，达到了25%左右的效率，而钙钛矿太阳能电池只用了约10年时间，就达到了和晶硅电池类似的水平。因此被《Science》杂志评为“十大科学突破”。
中国科大在去年创造了新的钙钛矿太阳能电池结构，打破了太阳能电池的世界纪录，被美国世界纪录榜收录，印上USTC的标签。
钙钛矿太阳能电池最优异的特性，是组分调控非常自由。由于ABX3化学式A的位置可以有很多种组分，B和X的位置也有很多种可能。因此就像魔方组合一样，可以用不同的组分得到不同的钙钛矿，吸光范围都不同。
如果钙钛矿的吸光范围控制得当，再利用叠层电池的概念，放在晶硅电池上，它的理论效率可以从晶硅的29%大幅提升到40%，这是非常大的突破。在2020年就已实现了这样的原型器件，在20%效率的晶硅电池上做了钙钛矿电池，组成叠层电池，效率一下提升到27%，超越了晶硅电池的世界纪录，证明了叠层超越晶硅的可能性。
目前我们还在着力探索钙钛矿电池的另一个应用：太空探索。太空有不分日夜的太阳能，而III-V族叠层太阳能电池，不仅昂贵，而且比重功率不是最高最好的。如果将钙钛矿薄膜轻柔薄的特性利用于太空太阳能电池上，则有可能做到比重功率提升好几倍，达到20W/g的水平。
此外，钙钛矿材料另一个很好的特性，是它对于宇宙中破坏性的射线和粒子的容忍程度比晶硅和砷化镓都更好，因此钙钛矿是很有潜力的太空应用材料。
未来展望
太阳能电池未来会怎么样？据国际能源署估计，从2020年到2050年这30年内，人类需要15太瓦的可再生能源，太阳能发电的需求至少需要暴增60倍以上，这是前所未有的，史无前例的，还大有可为。2050年的一代人，将见证40%的电能是由太阳能产生，见证生活中各个角落都有太阳能电池的渗透。
▲太阳能电池未来应用领域
最近AI人工智能是新的应用和热点，也许大家根本没有想到，AI人工智能在给我们带来生活上便利的同时，对我们的能源也提出了极大的挑战。到2026年，美国几大 AI公司的服务器耗能都会达到8,000亿度电，这意味着之前估计的人类耗能还是非常保守的。随着未来各种需求增多，人类对于能源的需求远超30太瓦。这就要求人类更加追求和依靠可再生能源。
未来钙钛矿和人工智能结合，主要是寻求更加稳定和更加高效的材料。如果仅利用P-N结电池原理，单结不可能超越33%的理论极限。但如果用叠层的概念，用不同组分的钙钛矿，或者钙钛矿与晶硅结合，转换效率可超33%。事实上钙钛矿和晶硅的叠层电池，世界纪录已经接近34%了。
光伏发展和量子计算机是否可以结合？太阳能电池今后的利用，一部分是大规模发电，另一部分是分散性利用。虽然太阳能电池目前还不足以支撑量子计算机的耗电需求，但量子计算机反过来可能会推动材料的发展。刚才提到的热电子、热载流子、上转换等，物理模型上可以超越理论极限，但目前并未发现合适的材料和结构，未来可能有赖于量子计算机的帮助。
科学家们未来还须研究和思考太阳能电池大规模使用对于地球环境的影响。比如太阳能电池板安装在农田上、海面上，对光和热的影响。比如大面积太阳能电池板安装，是否影响植物的生长和人类的生存。目前来看，利大于弊。
太阳能电池的回收是非常重要的。太阳能电池里包括硅的材料、金属材料，以及一些焊接材料、玻璃等都需要回收，否则可能会造成污染。
总之，太阳能潜力很大，仅地球1%面积接收太阳能就可以满足全球能量的需求，因此未来一定要朝着两个方向去努力，一是在对环境影响最小的前提下，将更多的面积铺上太阳能电池板，二是在相同的面积上，太阳能电池板转换的效率更高。
此外，人类也在追求可控的核聚变，自己创造太阳！在中国合肥的科学岛上，就有一群人在探索“人造太阳”。如果人造太阳实现，人类的能源焦虑和压力将会得到极大的缓解。
