近两个世纪以来，人类一直在利用太阳来获取电能，这一过程被称为光伏效应。
世界上第一个太阳能电池是由物理学家埃德蒙·贝克勒尔于 1839 年发明的。当时，19 岁的他发现将涂有氯化银或溴化银的铂电极暴露在太阳下就能产生电能。
虽然贝克勒尔的太阳能电池展示了太阳的潜力，但它并不是一个高效的发电器。人们将太阳能作为主要能源的兴趣要等到1973 年石油禁运带来的经济冲击，以及最近全球对可再生能源的关注以应对气候危机。
太阳能电池的效率不断提高，制造成本也大幅下降，特别是过去十年。目前大多数电池主要由硅制成，平均可将约 22% 的太阳能转化为电能。电力输出效率和制造工艺的提高大大降低了从太阳生产一瓦电力的成本。然而，太阳能生产尚未普及到家庭和工业用途，因为它仅占全球发电量的 4.5%左右。
牛津大学的物理学家正在试验一种技术，可以将太阳能的平均效率提高一倍，达到 45%。
他们的方法将用一种非常薄的柔性涂层取代硅基太阳能电池板，这种涂层由多个吸光层组成，可以应用于建筑物、汽车或背包或手机等日常物品的表面。这种新材料只有一微米厚，比传统太阳能电池中的硅晶片薄约 150 倍，用途极其广泛。
牛津大学的研究人员是可再生能源教授亨利·斯奈斯博士领导的 40 人团队的一部分，他们将于今年晚些时候发表一份关于他们研究成果的科学报告。经过五年的实验，他们的材料已通过独立认证，可提供 27% 的能源效率，已经接近现有太阳能电池技术的最高效率。
这种超薄光伏材料以矿物钙钛矿为基础，钙钛矿是一种钙钛氧化物，可以容纳许多不同的净正电荷。钙钛矿吸收的光波长与硅吸收的光波长不同，当这两种材料在太阳能电池中结合时，它们会利用更多的太阳光谱，从而每个电池产生更多的电能。
钙钛矿也是最高效量子点 (QD) 太阳能电池的基础，韩国蔚山国立科学技术研究院能源与化学工程学院的 Sung-Yeon Jang 教授领导的研究人员宣布了这一消息。量子点是一种非常微小的粒子，其化学性质并不像化学元素那样由电子数量决定，而是由其大小决定其特性（尤其是颜色）。
量子点要在太阳能电池中发挥作用，必须与较大的分子结合。量子点通常与无机分子结合，但研究小组通过开发一种将量子点与有机分子结合的方法实现了效率突破，这种分子也很稳定，储存两年后仍能产生电能。
量子点的发现和发展是2023 年诺贝尔化学奖的基础，该奖授予了 Moungi Bawendi、Louis Brus 和 Aleksey Yekimov。具有独特吸光和发光特性的量子点纳米粒子现在用于电视屏幕和 LED 灯，它们的清晰光线可以为外科医生照亮肿瘤组织。
虽然硅基太阳能电池占据了目前约 95% 的市场份额，但钙钛矿作为更高效的太阳能生产基础，在未来具有巨大的潜力。钙钛矿的挑战在于它会吸收水分并在受热时降解，因此钙钛矿基太阳能电池需要屏障，这使得它们成本高昂且难以大规模生产。研究人员正在寻找更稳定的钙钛矿化合物和越来越有效的屏障。
虽然钙钛矿电池在实验室中表现出高效的发电效果，但由硅和钙钛矿组合制成的电池很难在自然环境中测试。
利用太阳能发电的规模正在迅速扩大。
大规模太阳能电池阵列（有时也称为太阳能发电场）正变得越来越普遍并且正在产生大量可持续能源。
世界上最大的太阳能发电场位于印度拉贾斯坦邦巴德拉附近的塔尔沙漠，占地 56 平方公里。
该发电场的标称发电量为 2,245 兆瓦，每年可减少温室气体排放约 400 万吨。该发电场由16 家开发商安装的阵列组成，耗资超过 20 亿美元，并使用机器人清洁设备来清除面板上的沙漠尘埃。
澳大利亚新南威尔士州的惠灵顿和惠灵顿北太阳能发电场正在建设中。这两个项目都是石油公司 bp 和 Lightsource 合资成立的 Lightsource bp 项目，bp最近宣布打算全资收购Lightsource bp 。这两个太阳能发电场投入运营后，预计将共生产 625 兆瓦的电力，足以为 225,000 户家庭供电。
Lightsource bp 位于巴西阿巴伊拉附近的 Solar Milagres 工厂将于 2023 年底开始运营。
该发电场占地 387 公顷，发电量为 212 兆瓦，Lightsource bp 称，这相当于从道路上减少 57,000 辆汽油和柴油车辆。然而，大型太阳能发电场对环境、野生动物和人类安全存在诸多担忧。
主要的环境问题包括发电用的太阳能电池板和储存电能的电池的使用寿命有限，以及制造、运输、维护和回收这些设备所需的资源。此外，由于太阳能电池板的尺寸和高度，设施工人在安装和维护过程中会受到紫外线辐射和物理危害，这还存在职业健康和安全问题。
在太阳能发电场覆盖的大片地区，生物多样性和动物栖息地受到严重影响。 一个令人担忧的现象是，鸟类在飞行中会将太阳能电池板阵列误认为是水，导致它们在试图降落在太阳能电池板上时转向并遭受死亡。美国地质调查局目前正在对这一假设以及其他可再生能源技术（尤其是风力涡轮机）对野生动物的影响进行研究。
高效利用太阳能下一步该怎么做？
随着利用钙钛矿和其他材料，太阳能发电变得更加高效，进一步降低成本将使太阳能在家庭和工业用途上更具吸引力和实用性。它还将控制或减少太阳能发电场的规模及其对环境、野生动物和人类安全的影响。
一个潜在的非常重要的成果可能是利用太阳能通过电解来推动另一项可再生技术——氢燃料电池。
我们在氢燃料电池方面的专题报道强调，生产用于汽车和其他用途的环保氢燃料的主要挑战是从甲烷或水分子中分离氢原子的过程。目前，大多数氢气都是从甲烷中产生的，而甲烷会释放出大量的温室气体二氧化碳。另一种方法是将氢从水分子中的氧中分离出来，这是一个极其耗能的过程，而利用太阳能可以带来巨大的好处。
毫无疑问，近两百年来将太阳能转化为电能的技术发展为清洁能源带来了光明的未来。最近在高效材料方面取得的突破表明，我们可以将更多距离地球 1.5 亿公里的恒星能量转化为我们的技术和工业世界所需的能源。大型太阳能农场的增加和太阳能生产成本的快速下降已经推动我们摆脱化石燃料，走向可持续的未来。
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