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文|雾归
编辑|雾归
太阳能被广泛认为是可再生能源的关键解决方案，还被普遍视为未来能源供应的重要选择。然而，太阳能技术的广泛应用仍然面临一些挑战，其中之一是需要高效低成本的材料。
随着科学和技术的不断进步，纳米技术在太阳能领域中扮演着重要的角色，为解决这一挑战提供了希望。
高效低成本材料是实现可持续太阳能技术的关键要素。这些材料可以降低能源成本，提高太阳能设备的性能，并推动太阳能的商业化应用。然而，传统材料在这方面存在一些限制。纳米技术的引入为我们开辟了全新的可能性。
接下来，我们将共同探讨高效低成本材料在太阳能应用中的关键作用，并重点讨论纳米技术在此领域中的应用！
全球能源挑战
世界各地的发展中国家，尤其是撒哈拉以南非洲SSA和亚洲地区，经历着高比例的电力供应不足、成本高昂和不稳定的问题，如下图所示。
在许多发展中国家的农村和偏远地区，大部分人口无法获得现代化的能源。据预测，到2030年，撒哈拉以南非洲农村地区没有电力供应的人口将从2009年的5.85亿增加到6.45亿。国内外的共同努力和干预措施并没有取得预期的成果，更是无法改变这种状况。
全球对化石燃料的能源需求也导致二氧化碳排放量呈上升趋势，如下图所示。用于发电的化石燃料对气候变化、温室气体排放和全球变暖具有特征性影响。2012年，发电和交通部门分别产生全球二氧化碳排放量的三分之二，占比约为42%和23%。
多年来，柴油、汽油、煤炭和天然气等化石燃料被证明是有效的经济发展驱动因素，但也带来了健康和环境后果。化石燃料的环境挑战包括气候变化、全球变暖和二氧化碳排放。
尽管存在这些负面影响，但由于能源对人类存在和工业化的重要性，人们并没有停止使用化石燃料。据报道，2016年全球石油消费年增长率为1.6%，天然气年增长率为1.5%。
各国的温室气体排放量差异巨大，与工业化密切相关。国际能源机构在2015年估计了工业废弃物、非可再生市政废物以及天然气、石油、煤炭和其他燃料的燃烧所产生的二氧化碳排放量。下图展示了其中20个不同国家的数据。
能源三难题
除了对充足、可负担得起的电力供应的需求外，电力部门转型的全球动态主要有三个互相强化的趋势：数字化、脱碳化和去中心化。此外，授权能源消费者的出现为他们在如何利用和管理能源使用方面提供了新的选择。
复杂的全球能源动态的治理和管理对于能源安全、应对气候变化和解决能源贫困至关重要，如下图的能源安全、能源公平和环境可持续性的相互关联被称为能源三难题。
在平衡能源可负担性、能源安全和环境可持续性方面面临的挑战，可以促进对能源系统分散化带来的中断和机遇框架的理解。下表列出了与能源三难题相关的机遇和挑战。
应对全球能源和环境挑战的应对措施
为了适当应对这些全球挑战，迫切需要在不损害未来的前提下产生更多的能源。这意味着对化石燃料的使用应受到限制或消除。为了有效实现这一目标，应当提供清洁、可靠且可再生的能源，其温室气体排放低或不产生。
为了显著推动实现全球能源三难题，无论是发达国家还是发展中国家，都可以将以下内容纳入其基础设施规划中：
1.提升能源效率：改善能源使用效率是减少能源消耗和温室气体排放的关键。通过采用先进的节能技术和设备，制定能源效率标准和政策，以及提高能源管理和监测能力，可以最大限度地减少能源浪费。
2.发展清洁燃料和低碳技术：研究和开发清洁燃料替代传统化石燃料，如生物能源、氢能源和天然气等，可以显著降低温室气体排放。此外，低碳技术，如碳捕获和储存技术，可以帮助减少工业排放并提供更清洁的能源选择。
3.加强国际合作和政策协调：全球能源和环境挑战需要国际合作和政策协调来共同应对。国家之间可以分享经验和技术，共同制定全球性减排目标，并加强合作以推动清洁能源的研发和部署。
4.促进可持续城市发展：城市是能源消耗和排放的主要来源。通过促进可持续城市规划和发展，包括提供高效的交通系统、可再生能源供应、建筑节能等措施，可以有效减少城市能源需求和环境影响。
5.提高能源教育和意识：加强能源教育和公众意识，使人们了解能源的重要性、节能减排的方法和清洁能源的好处。通过教育和宣传活动，可以培养环保意识，促使个人和社区采取积极的行动来减少能源消耗和环境影响。
替代能源-清洁能源
可再生能源被视为化石燃料的潜在替代品，这是因为可再生能源具有明显的环境优势，如减少二氧化碳排放和脱离电网的利用。因此，可再生能源技术受到了广泛关注。
许多国家已经开始建设可再生技术基础设施，以增加来自可再生能源的发电比例。不同国家已制定了不同的政策和框架，以指导可再生能源的使用、增长和可持续性。
化石燃料的可替代品包括太阳能、地热能、潮汐能、生物燃料、水力能和风能。核能可以提供大量所需的电力容量。然而，由于人们对核能的看法，许多国家对使用核能持怀疑态度。他们认为将核能用于发电是一项风险投资。
例如，在新加坡，独立分析师和相关部门机构的研究称现有的核电厂对于新加坡这个小国家和人口稠密的地区来说过于危险。在这些自然资源中，太阳能、小型水力和风能是最成熟的，并被认为是环境更好、长期来看更便宜的电力来源的更好选择。
在城市化过程中，太阳能的开发利用比其他可再生能源更具多样性。
太阳能：光伏太阳电池
由于可再生能源技术的能量密度低、间歇性和地区资源的限制，对其提出了一些批评，使其在城市应用方面不太适合。太阳能是最常见的可再生能源，其潜力高度依赖于地区。然而，一些地区的年平均太阳辐射超过300W/m2。
有趣的是，一些可能经历城市化增长最大的地区正好位于太阳能资源丰富的地区。因此，许多研究和技术进步都集中在太阳能效率、结构和成本方面。这导致自2010年以来太阳能装机价格急剧下降了约50%。
尽管取得了这一成就，广泛安装的多晶硅光伏电池的效率仍在10-17%之间徘徊。然而，最近的研究表明，利用浓缩多结电池可以实现40%以上的光伏实验室效率。这意味着在最佳条件下，光伏的功率密度可以超过120W/m2。
世界太阳能热集热器的热功率密度平均为67Wt/m2，家用太阳热水器的使用正在增加，因为它价格低廉且紧凑。多达84%的城市家庭在屋顶上安装了太阳能热水器，而澳大利亚的五个城市使用特朗布墙节约了约17%的能源。
特朗布墙是一种在夏季收集和储存太阳热能，用于冬季供暖的技术。在弗吉尼亚里士满的一个大型住宅建筑中，约91%的总能源需求来自这项技术。
可持续的综合城市化政策和技术
随着全球城市化进程的加速，特别是在低中等收入国家的密集城市中，可持续发展面临着挑战。全球需要采取综合的政策和技术来降低温室气体排放、减少清洁能源成本并确保安全能源，以实现城市可持续发展。
城市中常见的清洁能源挑战包括能源间歇性和可靠性、安装成本和低功率密度。风能、水力和太阳能等可再生能源都面临间歇性和可靠性的共同挑战。风不总是刮，阳光不总是普照，水源的水位也不总是一样。这限制了提供稳定电力供应的水平。
目前有几种方法正在应对这些挑战，包括采用混合系统结合多种可再生能源，开发低成本、高效的可再生能源发电和储能材料。
混合可再生能源系统
综合系统的目标是通过电力支撑来缓解供应的不一致性，这可以是柴油发电机或抽水蓄能水电。在低峰时段需求时，支撑系统以低输出运行，而在高峰时段需求时则增加到全功率输出。
近年来，对可再生能源，如太阳能、水力、风能、柴油发电机和储能装置等能源来源的组合进行了广泛的研究。这种组合通常被称为混合可再生能源系统HRES，混合可再生能源系统是对单一可再生资源供应稀缺和间歇性发电挑战的应对措施。
对HRES的研究涉及从设计到运行的不同能源系统的建模、管理和优化。在考虑系统设计和运行时，从不同的时间尺度进行思考是至关重要的，因为HRES具有不同的生命周期阶段。无论是整个生命周期还是每天的生命周期，实时优化都提供了处理HRES的重要机会。
实现基于清洁能源的城市化发展很大程度上取决于可再生能源发电技术的进步，包括低成本和高效率方面。为了更快速、更安全地过渡到清洁能源，需要开发高效且低成本的可再生能源发电和储能材料。
光伏太阳能系统
光伏太阳能系统除了光伏太阳能模块之外，还由不同的支持性组件组成。这些支持设备通常被称为系统平衡组件BOS，用于平衡系统并维持其运行。
BOS组件包括控制器、储能设备、布线、电网连接器、安装硬件和逆变器。然而，这些组件因系统的规模和应用而异。下图显示了适用于并网和独立应用的不同PV配置类型。
光伏模块被广泛用于提供经济实惠的电力，其期望寿命超过20年，在成本可承受的情况下功率降低不超过10%；并且能够在符合IEC61646国际标准的条件下，经受1000小时的85°C和85%相对湿度的环境考验。
然而，由于沉积过程中产生的微观和纳米级缺陷，水蒸气仍然会渗透到屏障中。这种情况降低了电池的效率和寿命，最终导致故障。卷对卷技术用于在聚合物薄膜基底上重复沉积和构图薄层材料，以制造柔性器件。在最终封装之前，柔性薄层的厚度约为3μm。
在太阳能领域，除了CIGS，染料敏化太阳能电池DSSCs也引起了兴趣并受到了相当大的关注，这是因为它们具有以下特点：易于生产，制造成本相对较低，并具有合理的光电转换效率。因此，它们被认为是替代传统硅基太阳能电池在特定应用中的潜在材料。
纳米技术在能源材料制造中的应用
贝尔实验室的查宾等人，于1954年开发出第一代光伏太阳能电池，采用硅（Si）p/n结构。第一代光伏太阳能电池的主要缺点是成本高，这是由于所使用的材料质量较高，包括低缺陷单晶硅、增强型低铁玻璃覆盖层和封装材料。
为了克服光伏太阳能电池的成本和效率挑战，他们利用了纳米复合材料的概念，以提高器件性能。这在光伏太阳能电池的生产中得到了应用，以克服单一材料在太阳光谱响应、正负电荷与化学物质的反应、正负电荷的输运以及降低成本等方面的限制。
这也就随之诞生了基于纳米复合材料的第三代器件，如有机-无机混合体系、纳米结构半导体和分子组装体。第三代光伏太阳能电池的目标是提供低成本高效率的纳米复合材料。
总的来说，纳米技术的应用为太阳能领域提供了新的发展机遇，为实现高效低成本的太阳能材料做出了重要贡献。
通过持续的研究和创新，我们有望在未来看到更加先进和可持续的太阳能技术的发展，为清洁能源转型做出更大的贡献！