把握太阳能的光明未来
2025-03-06
不妨看看美国太阳能迅猛发展的势头：过去十年间，太阳能装机容量增长了近900%，2023年的发电量更是比2014年翻了八倍。仅从2022年到2023年这一年间，太阳能装机容量就跃升了51%，新增并网的太阳能装机容量创下历史新高，达到32吉瓦（GW）。在过去四年里，新增并网的太阳能装机容量超过了其他任何一种发电方式。目前，美国太阳能装机总量已突破179吉瓦，足以为近3300万户家庭提供电力供应。美国能源部（DOE）对太阳能前景极为看好，其碳减排规划设想，到2050年太阳能将满足全国45%的电力需求。
但太阳能的持续快速扩张需要技术上的突破，尤其是提高太阳能光伏（PV）材料及其制造工艺的效率和耐久性。而这就正是成立仅三年的麻省理工学院衍生公司Optigon的用武之地。
“我们的目标是为科研和工业打造能够加速能源转型的工具，”该公司联合创始人兼首席科学官丹·德奎莱特表示，“我们为太阳能开发的技术将实现对材料在实验室及生产线上制备过程中的实时测量与分析，从而大幅加快光伏技术的优化进程。”
Optigon植根于麻省理工学院充满活力的太阳能研究社区，有望在2024年推出一项技术，它相信这项技术将大幅加快太阳能及其他清洁能源项目的推进速度。
超越硅
硅是大多数光伏电池的主要材料，但其将太阳光子转化为电能的效率受到物理定律的限制。理论上，基于硅的太阳能电池的光电转换效率最高可达30%，而实际应用中的效率则徘徊在20%左右。然而，除了硅本身的物理局限性之外，对于许多研究人员以及美国及其他地区的太阳能产业而言，还存在另一个亟待解决的问题：中国在硅基光伏市场占据主导地位，从供应链到制造环节均处于绝对优势。
科学家们正积极寻求替代材料，以提升硅的太阳能转换效率，或彻底取代硅。
在过去十年中，一类名为钙钛矿的晶体结构半导体家族已脱颖而出，成为新一代光伏材料的候选者。钙钛矿器件采用了一种新颖的制造工艺——印刷技术，这种技术有望绕过中国为硅基光伏所构建的庞大供应链体系。钙钛矿太阳能电池可相互堆叠，或叠加于硅基光伏之上，从而实现更高的转换效率。由于钙钛矿技术具有柔性和轻量化的特点，其组件可用于屋顶及其他无法承载较重硅基光伏的建筑结构，这不仅降低了成本，还推动了更多种类的建筑一体化太阳能设备的应用。
但这些新材料需要进行测试，既要在研发阶段进行，也要在装配线上进行。在装配线上，纳米级晶体结构中缺失或存在缺陷的光学、电气或尺寸性能都可能对最终产品造成负面影响。
“实际的测量和数据分析过程一直非常非常缓慢，因为你不得不使用一堆彼此独立、全靠手动操作的工具，”Optigon联合创始人兼首席执行官安东尼·特鲁普（Anthony Troupe）21届校友表示，“我们希望开发一些工具，实现材料性能的自动化检测，从而判断它能否用于制造优质或劣质的太阳能电池，进而对材料进行优化。”
“我们的方法将多种非接触式光学测量技术——采用不同类型的光源和探测器——集成到一个单一系统中，这些技术共同提供了对材料的全方位、横截面视图，”2021届本科毕业生、2022届硕士毕业生兼联合创始人兼首席技术官布兰登·莫茨表示。
“在数据采集与分析方面实现毫秒级时间分辨率的这一突破，意味着我们能够将科研级工具真正部署到全生产系统中，实时获取关于大规模、吉瓦级产品建造过程的极其详尽的信息，”特鲁普表示。
“与传统工具不同，这套精简的系统能在瞬间完成测量，”美国先进钙钛矿制造联盟主任、美国国家可再生能源实验室高级研究科学家约瑟夫·贝里表示，“Optigon的技术精度极高，且能实现高通量，这意味着它们可用于诸多需要快速反馈以及极快开发新材料的应用场景。”
据贝里表示，Optigon的技术不仅可能为太阳能行业提供更优质的材料，还能以比目前更快的速度大规模生产高质量的光伏产品。“如果Optigon成功实现其技术的部署，我们就能更迅速地开发出所需的材料，并一次又一次地以必要的精度进行制造，”他说道，“这将有望推动下一代光伏组件的诞生，且成本大幅降低。”
测量带来差异。
凭借美国能源部的小型企业创新研究项目资助以实现产品的商业化，以及马萨诸塞州清洁能源中心的拨款，Optigon已在马萨诸塞州萨默维尔的气候技术孵化器Greentown Labs安顿下来。在这里，团队正为今年春季首款商用产品的发布做准备，该产品的诞生源自麻省理工学院的GridEdge太阳能研究计划。
在电气工程教授兼麻省理工学院纳米中心主任弗拉基米尔·布洛维奇的带领下，GridEdge项目获得了塔塔信托基金的资助，旨在开发轻便、灵活且价格低廉的太阳能电池，以向全球各地的农村社区推广普及。2017年，德奎莱特加入该团队担任博士后研究员时，被委以重任，负责领导该项目并搭建基础设施，以开展钙钛矿太阳能组件的研究与制造工作。
“我们当时试图弄清楚，一旦制备出这种材料，它究竟好不好，”他回忆道，“当时市面上还没有适用于硅以外材料的优质商业计量工具，于是我们便开始自己动手研发。” 鉴于团队亟需在这一问题上掌握更多专业知识，尤其是在电气、软件和机械工程等领域，德奎莱特发出号召，招募本科生研究人员参与新太阳能材料计量工具的开发工作。
“有四十个人来咨询，但当我见到布兰登和安东尼时，一切豁然开朗——我们显然拥有互补的技能组合，”德奎莱特说。“于是我们开始合作：安东尼提出精美的设计方案，将多种测量数据融为一体；布兰登则负责开发控制所有硬件的电路板，包括各种类型的激光器。我们开始提交多项专利申请，就在那时，我们意识到这一切终于水到渠成。”
“我们从一开始就清楚，计量技术不仅能大幅改进材料，还能显著提升生产良率，”特鲁普表示。德奎莱特补充道：“我们的目标是以前所未有的速度达到最高性能水平——比以往通常所需的时间快得多。因此，我们开发出的工具不仅适用于科研实验室，也能用于生产线，为质量控制提供实时反馈。”
“Optigon为工业领域设计的这款设备尺寸相当于一个足球，”莫茨表示，“传感器组件被巧妙地塞进了一个极为小巧的外形中，能够直接在物料流经下方时进行精准测量。我们还仔细考虑了如何让使用者与这一工具的交互尽可能顺畅，甚至可以说，尽可能愉悦——无论是将数据实时传输至操作员可随时查看的仪表盘，还是存储到定制数据库中。”
光伏只是个开始。
该公司或许已找准了自己的市场定位。“一个研究小组付钱让我们使用自家的原型机，因为他们迫切需要获得这类测量数据，”特鲁普表示。据莫茨介绍，“潜在客户纷纷询问我们，现在能否购买这套系统。”德奎莱特则说：“我们的期望是，能够成为美国乃至全球范围内各类表征计量工作的事实标准提供商。”
Optigon未来面临诸多挑战：产品发布、全面量产、技术支持以及销售推广。绿城实验室提供了有力支持，麻省理工学院本身也拥有丰富的太阳能研究者和企业家社区。不过，创始人已开始着眼于下一阶段的发展。
“我们并不局限于光伏领域，”德奎莱特表示，“我们计划涉足其他清洁能源材料，比如电池和燃料电池。”
这是因为团队希望在应对气候挑战上产生最大影响力。“我们深入思考了自身工具在减少碳排放方面的潜力，并开展了极为详尽的分析，研究我们的系统如何提高太阳能电池板及其他能源技术的生产效率，同时减少传统优化过程中材料和能源的浪费，”德奎莱特表示，“如果放眼所有这些领域，我们有望在不远的将来，每年抵消约10亿吨二氧化碳。”
该团队已将规模化生产写入其商业计划。“我们希望成为推动这些新能源技术走向市场的关键推动力，”莫茨表示，“我们设想这些技术将被部署到每一条制造这类材料的生产线上。我们的目标是，当我们四处走动时，如果看到一块太阳能电池板投入使用，那么很大概率它曾经都经过我们的测量。”
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