令人惊讶的多样化创新可以带来更便宜的太阳能电池板

自 1970 年代以来，太阳能电池板的成本下降了 99% 以上，从而广泛采用将阳光转化为电能的光伏系统。麻省理工学院的一项新研究深入研究了能够大幅降低成本的具体创新，揭示了不同研究工作和行业的技术进步发挥了关键作用。该研究发表在 PLOS ONE 上。

研究结果可以帮助可再生能源公司做出更有效的研发投资决策，并帮助政策制定者确定优先领域，以刺激制造和部署的增长。

研究人员的建模方法表明，关键创新通常起源于太阳能领域之外，包括半导体制造、冶金、玻璃制造、石油和天然气钻探、建筑工艺甚至法律领域的进步。

“我们的结果表明，成本改进过程是多么复杂，以及科学和工程进步（通常是在非常基本的层面上）是这些成本降低的核心。大量知识来自不同的领域和行业，这种知识网络使这些技术得到改进，“该研究的资深作者、麻省理工学院数据、系统和社会研究所教授杰西卡·特兰西克 （Jessika Trancik） 说。

Trancik 与共同主要作者 Goksin Kavlak 一起撰写了这篇论文，Goksin Kavlak 是前 IDSS 研究生和博士后，现在是 Brattle Group 的高级能源助理;Magdalena Klemun，前 IDSS 研究生和博士后，现在是约翰霍普金斯大学的助理教授;前麻省理工学院博士后 Ajinkya Kamat;以及国家可再生能源实验室的布列塔尼·史密斯和罗伯特·马戈利斯。

识别创新

这项工作建立在研究人员之前开发的数学模型之上，这些模型梳理了工程技术对光伏 （PV） 组件和系统成本的影响。

在这项研究中，研究人员旨在更深入地挖掘推动成本下降的科学进步。

他们将定量成本模型与对影响光伏系统材料、制造步骤和部署过程成本的创新进行详细的定性分析相结合。

“我们的定量成本模型指导了定性分析，使我们能够仔细研究由于缺乏定量数据而难以衡量的领域的创新，”Kavlak 说。

在早期确定关键成本驱动因素（例如每个模块的太阳能电池数量、布线效率和硅片面积）的基础上，研究人员对文献进行了结构化扫描，以寻找可能影响这些驱动因素的创新。

接下来，他们将这些创新分组以识别模式，揭示通过改进材料或预制组件来简化制造和安装来降低成本的集群。最后，该团队跟踪了每项创新的行业起源和时间，并咨询了领域专家，以将最重要的创新归零。

总而言之，他们确定了自 1970 年以来影响光伏系统成本的 81 项独特创新，从抗反射镀膜玻璃的改进到完全在线许可接口的实施。

“通过创新，你总是可以进入更深层次的，比如原材料加工技术，所以知道何时停止是具有挑战性的。拥有定量模型来为我们的定性分析奠定基础确实很有帮助，“Trancik 说。

他们选择将光伏组件成本与所谓的系统平衡 （BOS） 成本分开，后者涵盖安装系统、逆变器和布线等内容。

光伏组件连接在一起形成太阳能电池板，可批量生产并可出口，而许多 BOS 组件是在当地设计、制造和销售的。

Kavlak 说：“通过研究 BOS 层面和组件内部的创新，我们确定了光伏技术这两个部分中出现的不同类型的创新。

BOS成本更多地依赖于软技术，即许可程序等非物理元素，与硬件创新相比，这些因素对光伏过去成本改善的贡献要小得多。

“通常，这归结为延误。时间就是金钱，如果你在建筑工地出现延误和不可预测的流程，这会影响这些系统平衡成本，“Trancik 说。

自动许可软件等创新显示出希望，该软件标记符合规范的系统以进行快速审批。尽管本研究尚未量化，但该团队的框架可以支持未来对其经济影响的分析以及简化部署流程的类似创新。

互联行业

研究人员发现，半导体、电子、冶金和石油行业的创新在降低光伏和 BOS 成本方面发挥了重要作用，但 BOS 成本也受到软件工程和电力公用事业创新的影响。

非创新因素，如批量采购带来的效率提升和太阳能行业知识的积累，也降低了一些成本变量。

此外，虽然大多数光伏电池板创新起源于研究机构或行业，但许多 BOS 创新是由市政府、美国各州或专业协会开发的。

“我知道这项技术有很多事情要做，但所有这些领域的多样性以及它们之间的密切联系，以及我们可以通过这种分析清楚地看到该网络的事实，这很有趣，”Trancik 说。

Klemun补充道：“光伏处于非常有利的位置，可以吸收其他行业的创新——这要归功于正确的时机、物理兼容性和支持性政策，以适应光伏应用的创新。

该分析还揭示了通过自动化工程审查系统和远程现场评估软件等进步，更强大的计算能力在降低 BOS 成本方面可以发挥的作用。

“就知识溢出而言，到目前为止，我们在光伏领域看到的情况可能实际上只是一个开始，”Klemun 说，并指出机器人和人工智能驱动的数字工具在推动未来成本降低和质量改进方面的作用越来越大。

除了定性分析之外，研究人员还展示了如果拥有可以插入成本方程的数值数据，如何使用这种方法来估计特定创新的定量影响。

例如，利用有关材料价格和制造程序的信息，他们估计线锯是一种在 1980 年代引入的技术，通过减少硅损耗和提高制造过程中的吞吐量，使光伏系统的总体成本每瓦降低 5 美元。

“通过这种回顾性分析，你可以学到一些对未来战略有价值的东西，因为你可以看到哪些有效，哪些无效，而且这些模型也可以前瞻性地应用。了解哪些相邻部门可能有助于支持特定技术的改进也很有用，”Trancik 说。

展望未来，研究人员计划将这种方法应用于广泛的技术，包括其他可再生能源系统。他们还希望进一步研究软技术，以确定可以加速降低成本的创新或流程。

“尽管技术创新的过程可能看起来像一个黑匣子，但我们已经证明，你可以像研究任何其他现象一样研究它，”Trancik 说。