建立太阳能系统，节约数十亿美元

太阳能正被全世界所采用。自1980年以来，价格暴跌了100倍。到2023年，全球光伏发电装机容量预计将超过1太瓦——到2050年将需要30-100太瓦。然而，相互冲突的趋势意味着，如果质量得不到保证，今天安装的许多技术可能无法持续到那时。

要取代化石燃料，太阳能必须是可靠的。光伏技术必须在潮湿的热带地区发挥作用，就像在冰冷的两极一样——在风暴、冰雹、热浪和大雪中工作。到目前为止，太阳能是非常可靠的。大多数组件的保修期为25-35年(见“太阳能趋势”)，在美国，不到1%的组件在前5年内失效¹．例如，完整的太阳能电池板在帮助小岛屿国家在2017年加勒比毁灭性飓风后恢复方面至关重要。

然而，可靠性挑战迫在眉睫。太阳能系统正被安装在更多样化的环境中。新的电池设计、材料、包装和货架技术将在几个月内推向市场。耐久性测试需要跟上。一些十年前通过质量测试的部件后来被证明存在缺陷。

如今复杂的系统效率更高，但也几乎没有出错的余地。为了追求更高的能源产量和更低的成本，制造商正在把模块做得更大更薄。他们将许多电池连接在一起以提高功率并加快生产速度。电子设备更加复杂。供应链的中断可能会诱使一些制造商使用廉价、不合格或假冒的零部件go.nature.com/3kptewj)．糟糕的安装、操作和维护实践每年给公用事业公司造成数千万美元的发电损失go.nature.com/3xnyfef)．几十年后，这个数字可能达到数十亿美元。

太阳能电池板也越来越多地暴露在气候变化引发的极端天气中。在2019年德克萨斯州的一场风暴中，近7厘米的冰雹砸在破碎的模块上，为大约2万户家庭供电。保险损失超过7 500万美元。

如果不加以解决，这些漏洞将减缓太阳能的推广。关键的气候里程碑可能会被错过。该行业将面临更高的保险索赔、收入损失以及金融和安全风险。电网运营商将不愿改用太阳能。碳中和目标将无法实现。

在短期内，太阳能可以拯救生命。例如，今年2月德克萨斯州大冰冻期间，1000万人断电，至少111人死亡，该州损失达1300亿美元。火力发电暴跌，风力发电表现不佳，但太阳能发电基本未受影响²并继续为该州提供2%的能源。

在这里，我们列出了太阳能行业需要采取的五个步骤，以确保太阳能的可靠性，包括安装检查和培训，对材料和系统故障的基础研究，以及更稳健的操作和标准。太阳能科学家和工程师、投资者、消费者和管理机构都应发挥作用。

促进科学

需要改进实验室测试和计算机模型，以评估下一代模块在现场的表现如何。

研究人员需要更好地理解降解的物理和化学过程。其中一个挑战是加速涉及化学物质扩散和反应的微妙过程。加热样品或放大压力，例如，将样品暴露在100%的湿度或强烈的紫外线下，如果触发了现场不会发生的反应，就会产生误导性的结果。由于这个原因，曾经流行的“高压锅”面板测试可能会给人错误的印象。测试需要以更现实的方式暴露错误。例如，他们应该以自然的顺序同时施加许多压力源，并包括更极端的条件。

计算碳的社会成本的八个优先事项

需要确定失败机制，以及最小化失败机制的策略。例如，串联在一起的太阳能模块两端的电压比中间的更高。这些电压可能高到足以释放玻璃罩中的钠离子，然后这些钠离子可能会漂移到太阳能电池中并压倒它。同样，研究人员必须了解光和热为什么以及如何以不同的方式降解各种类型的细胞;氢被认为发挥了作用。

需要更大更复杂的测试设备。这些设备必须为面板提供均匀水平的光、热和其他压力源，这些面板现在占地数平方米，需要两个人或更多的人来定位。20世纪80年代，太阳能电池板的跨度只有0.5米左右²而且更容易处理。需要同时对多个小组进行测试，以确保结论的统计意义。许多国家和顶级的检测实验室，包括我们在美国和欧洲和亚洲的其他实验室，都有这些能力。低收入国家的小买家或测试人员很少有这样的机会。

加强标准

质量标准被广泛用于验证单个组件，如面板、二极管或接线盒。没有一个能覆盖整个太阳能系统。不良的装配实践，批次之间组件的差异，甚至包括一个不合格的组件都可能破坏性能。

为了指导更全面的标准，需要测试整个系统的耐久性。作为第一步，2014年，国际电工委员会(IEC)开始形成全球可再生能源应用认证体系(IECRE)，并于2016年报告了第一个光伏证书。它需要扩大。监督必须超越对工厂和产品的检查。供应链的每个环节都必须引入随机抽样和合规测试，就像食品行业一样。消费者在购买时应该要求认证产品和方法。

标准需要不断更新，以应对最新的技术和故障模式。目前的发展周期依赖于国际志愿专家团队达成共识，速度太慢，往往需要数年时间。独立选举委员会的每个成员国都需要全职技术支持。

还需要考虑更苛刻的测试条件，以预测更长的时间内的故障，并考虑到日益恶劣的天气。目前的IEC标准要求模块能够承受直径为25毫米的冰雹。涉及更大冰球的认证正在开发中，但研究人员仍然需要建立一个现实的测试条件范围，同时保持产品成本低，避免过度设计。一种解决方案是引进专门的系统认证，以适应特定地区的恶劣条件。

在测试中，模块、逆变器和连接器等组件必须同时暴露于一系列压力源，因为它们将在室外。否则，可能会遗漏缺陷。例如，2019年从350多个国际站点采样了650万个模块，其中14%的背板退化，存在从变色到开裂等问题^3.．一种背板(由一种AAA聚酰胺制成)不可预见的问题说明了更广泛的问题。这些组件于2010年引入市场，因为相对便宜而受到欢迎，而传统的背板面临着供应链问题。AAA面板通过了曝露在湿热和紫外线下的标准测试。但五到十年后，许多开始开裂，导致短路。制造过程中产生的热机械应力和暴露在室外，以前不是标准测试的一部分，最终被发现是罪魁祸首⁴．这些因素现在正被纳入测试。

研究人员必须为意外故障制定测试和标准。例如，新形式的低温焊料通过不同于传统焊料的机制降解，因此需要不同的测试协议⁵．安装在水上的浮动光伏将需要更多的耐腐蚀材料来制作连接器和支架，而波动可能会加速磨损。需要测试以确定何时可以混合和匹配组件:当安装人员将来自不同制造商的连接器部件连接在一起时，可能会发生火灾。

监测变化

在太阳能行业，使用传感器和监测来早期识别故障需要成为常规，就像传统能源发电机和风力涡轮机一样。一些大型太阳能电池阵列的运营商已经在无人机和飞机上使用红外或可见光摄像机来发现故障。然而，他们需要更好的分析方法来快速解释数据，然后快速做出反应，以减轻生产损失和损害。机器学习算法是一种很有前途的方法，可以检测出可能被较大的昼夜和季节变化所掩盖的轻微不佳表现。

净零排放目标是模糊的:有三种解决方法

需要更全面的技术——例如，这些技术将跟踪气象预测以及来自现场风传感器、加速度计和视频的数据。许多大型太阳能发电系统都有专门的气象站，测量太阳辐照度、温度和风力。有些还会跟踪天气预报。当冰雹或强风威胁时，操作员有时会将阵列储存起来。安装振动传感器可以使他们做出更细微的调整，以减少冰、大风或雪的影响。在较小的范围内，传感器可以集成到模块中，以揭示物理或化学变化，从而在以后警告可靠性问题;已经演示了一些版本⁶．

在太阳能电池阵列中增加传感器和监控系统将增加成本。但几十年后，这些投资将通过降低维护需求和停机时间来收回。

跟踪材料

在竞争激烈、利润微薄的太阳能市场，内容信息通常不被共享。很少有生产商，如果有的话，报告面板是如何制造的，或者列出它是由什么制成的。供应链瓶颈——例如COVID-19大流行导致的背板、多晶硅和玻璃——正在严重打击光伏行业。消费者无法知道制造商是否在最后一刻用未经测试的部件进行了替换。有严格合同期限的买家可能会睁一只眼闭一只眼，以避免罚款。这种不确定性也给科学家从实验室测试中得出的结论蒙上了阴影。

保护低碳技术的全球供应链

开发人员、买方和测试人员应该要求有关模块内容的准确信息——材料清单。制造商应该把它作为一种客户服务来提供。例如，当新泽西州一个大型公用事业现场的操作人员调查了12%表现不佳的模块时，他们发现问题源于同一模块中不同电池上的银膏顶部接触的变化⁷．透明度还将促进旧太阳能电池板的回收和重建，打开市场并减少垃圾填埋。

太阳能行业应该关注其他以可靠性为关键的行业。例如，航空坚持严格的检查、维护和材料控制。材料退化或失效的数据是公开共享的，因为整个行业都依赖于安全。

还应考虑对标签要求的监管，就像对食品一样。国际组织，如IEC电工设备和组件合格评定体系(IECEE)可以提供帮助，他们已经监测了一些已认证的太阳能设备的制造一致性。

社区教育

尽管电力安全要求在发达国家很普遍，但世界上许多地方没有或遵守这些要求。也有影响可靠性的不一致。最佳实践需要在全世界传播和采用。例如，在飓风易发地区，简单的步骤可以增加系统存活的可能性。这些措施包括:使用强大的支撑结构，以抵御风暴风速;通过螺栓框架或使用更多的安装夹每个太阳能电池板;采用防震螺栓;将支架安装在椽子上，而不仅仅是屋顶上;并避免将系统定位在靠近屋顶边缘的位置，以尽量减少隆起⁸．

正确的处理和运输是必不可少的。走在不是专门为它设计的组件上，把太阳能电池板柔软的背面放在安全帽上，水平运输，扭曲面板或其他粗暴的搬运都会造成无形的损坏。

其他常见的问题包括接线不当，保险丝、断路器和连接器的问题。把直流电转换成交流电的逆变器是最常出故障的。暴露在高温下往往是原因。有一个简单的补救办法:加长连接器，将逆变器安装在建筑物背阴的一侧，而不是安装在阳光充足的地方。

对光伏系统质量的承诺在整个价值链中至关重要。它必须包括对太阳能安装人员的严格培训以及最先进的维护和操作。应提供太阳能消费者能够认可的认证。北美认证能源从业人员委员会(NABCEP)为太阳能安装人员提供认证和培训，最近已在国际上扩展。全球都需要类似的组织。应向消费者和房主提供IECRE质量认证体系的简化形式。

与气候变化的代价相比，所有这些质量保证措施都具有成本效益。仅2018年美国因飓风造成的停电就造成1500亿美元的损失，今年德国的洪水损失超过100亿欧元(113亿美元)。现在对质量控制的投资将确保未来几十年的廉价清洁电力。