太阳能光伏（PV）作为一种日益重要的清洁能源来源，目前是仅次于水电和风能的第三大可再生能源，贡献全球3.6%的能源生产。2020年至2021年间，PV能源生产增长了22%，如果未来的年平均增长率达到25%，到2050年将符合净零排放场景。尽管过去的预测一直低估了光伏部署的速度，但未来增长所需的加速是有可能实现的。
然而，一个关键的因素是，在不同的社会经济和气候变化背景下，全球能源需求所需的土地面积是多少，以及光伏技术的改进在多大程度上将提高光伏输出。这是十分重要的，因为气候变化导致的未来太阳辐射变化和温度上升可能会减少全球光伏的潜力。目前安装的PV容量可能会在未来20至30年内保持不变，但开发和部署更高效的PV技术以抵消气候变化影响的速度尚不确定。
使用大气环流模型（GCMs）进行的气候变化影响研究表明，光伏系统类型的影响各不相同；例如，到2100年，全球大规模光伏潜力可能下降最多0.4%，但屋顶光伏潜力增加2%。然而，在气候变化场景下，现有光伏装置的光伏潜力变化范围从 -19%到 +16%。使用区域气候模型（RCMs）的研究预测，南亚和拉丁美洲的光伏潜力可能下降到20％，而瑞典则可能下降34％。
然而，对于各地区、光伏技术或气候变化场景下的技术进步并未一致地探索。早期分析认为，大规模光伏部署的空间有限，因为它与其他土地用途竞争。然而，一些土地用途是多功能的，例如农业光伏系统。在牧场上，太阳能板可以放置在牲畜上方的农业光伏系统中。这种系统可以同时生产电力和食品，并可能为牧草和动物提供遮阳。其他具有多功能光伏部署潜力的土地包括高速公路、停车场和带有光伏板遮挡的灌溉渠道，以及城市屋顶。
结合技术改进，这些可以大大减少光伏能源的土地需求。有一些研究分析了气候变化对特定场景的全球光伏潜力的影响，但没有考虑两者如何影响全球光伏装置的土地需求。在本研究中，我们分析为了满足未来能源需求所需的全球光伏土地面积，以及在不同的气候未来和更高效的光伏技术下这片土地面积如何变化。为探讨未来全球光伏潜力的影响，我们提出以下研究问题：
1. 在传统和先进光伏技术下，为满足未来能源需求需要多少土地面积进行光伏部署？2. 考虑到气候变化对光伏能源生产的直接影响，这些土地面积如何变化？3. 当光伏与其他土地用途结合时，光伏潜力和土地要求如何变化？我们使用四个代表性浓度路径（RCPs; RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 和 RCP8.5）从四个大气环流模型（GCMs）进行分析，考虑六种不同的光伏技术。
同时使用未来全球能源需求的共享社会经济路径（SSPs; SSP1, SSP2, SSP3, SSP4 和 SSP5）的预测数据。为了满足未来能源需求，使用传统和先进的光伏技术进行光伏部署所需的土地面积是多少？满足潜在全球能源需求所需的光伏土地面积在很大程度上取决于使用的技术。
传统的硅基光伏模块技术如果最大化放置以增加能量产生，则需要约0.5–1.2%的全球土地面积来满足不同SSP场景中的投影能量需求。不同的世界地区需要不同比例的土地来满足不同SSP场景下的能源需求，以东亚和太平洋、中东和北非需要的土地最多。
然而，如果传统硅技术被更高效的光伏技术如钙钛矿和III-V族多结电池替代，则满足全球能源需求所需的土地将大幅减少，只需大约0.3–1.0%的土地面积（大约是硅光伏模块所需面积的一半到四分之三）。与传统的硅技术相似，这些要求在区域上也有所不同，并且根据场地特定变量如地面覆盖率（GCR）的处理而变化；应用标准值，这样所需的土地为：
传统硅（1.0–2.4%）、钙钛矿（0.8–1.8%）和III-V族多结电池（0.5–1.1%）。以满足未来能源需求所需的总PV土地面积与当前全球城市面积相当。在考虑到气候变化对光伏能源生产的直接影响时，土地面积如何变化？
全球年平均入射太阳辐射预期的轻微增加（在2050年增加0.8%至1.2%，到2085年增加0.4%至1.0%）以及与基线（1991–2005年）相比预期的平均温度上升（在2050年升高1.5°C至2.7°C，在2085年升高1.5°C至5.0°C）导致了对光伏潜力的模型化下降（在2050年下降3.7至4.5%，在2085年下降3.4至5.0%）。
这是因为更高的温度使得光伏板效率每升高1°C（25°C以上的板温度）降低0.4至0.5%。我们的单变量敏感度分析显示了气候变量（太阳辐射和温度）的差异。分析显示，当温度恒定而辐射变化时，光伏潜力增加。然而，仅考虑温度的影响时，光伏潜力下降。这说明了温度轨迹在场景与区域间差异对我们发现的区域影响贡献很大。我们因此展示了详细的全球和区域气候变化对光伏潜力影响的评估，以及土地需求的变化。
气候变化影响显示出强烈的区域差异，光伏潜力在拉丁美洲和加勒比地区可能下降最多3%，而南亚则可能下降最多8%。这些变化相比之前分析现有全球光伏站点的研究相对温和。全球平均光伏潜力根据所考虑的损失不同，普通范围为359到1495 kWh/kWp，而使用典型损失值时，范围更为限制性，全球潜力为1340到1363 kWh/kWp。撒哈拉以南的非洲的有最大区域值，而欧洲和中亚则有最小值。
太阳辐射和温度变化的综合效应导致了光伏潜力的下降，并解释了在整个21世纪的气候场景中全球光伏潜力的下降。然而，降低成本和对太阳能板的政策支持，将使得光伏能源生产有弹性地应对气候变化的影响。实现气候中立需要以快速能量转换从传统化石燃料到可再生能源，尤其是如果新兴技术能够兑现其承诺。然而，太阳能光伏发电将会受到气候变化的影响，导致未来能源需求中太阳能光伏的贡献下降。
因此，要达到类似的能量生产水平，未来的光伏土地面积可能需要增加。然而，技术可以减轻气候变化的负面影响。未来的能源需求高度不确定，并取决于社会经济的预测。与这里使用的总能量需求整合评估模型（IAMs）计算结果不同，这些是从人口发展、经济增长等基础社会经济驱动因素推导出，而光伏的75TW容量（大约等于2365 EJ）。
随着新兴技术和政策支持以促进光伏发电的高效低碳化，这需求可能由约与当前全球城市面积相当的全球光伏部署实现。我们使用四个代表性浓度路径，包括低、中和高排放场景，结合未来全球能源需求数据，研究不同光伏技术在缓和气候影响中的潜力。评估了满足未来共享社会经济路径（SSP）下全球能源需求所需的潜在土地面积及更高效光伏技术。探索全球和地区光伏潜力对气候变量、技术与土地竞争的敏感度。
数据使用包括耦合模型互比项目（CMIP）版本5的数据，许多CMIP6模型显现出更高的气候敏感性和更快速的温升速率，可能影响光伏潜力的估计。而选择1991-2005年为基线的平均期，通过ISIMIP2b气象数据集，以便作为未来变化的对比基准。全球光伏潜力的网格估计数据用于气候变化分析。社会经济研发路径（SSPs）的全球和地区需求预测掘数据用于比较未来光伏能量生产。
通过一系列数据和气候模型进行光伏能量生产的计算。全球和地区的太阳能废潜力是通过全球光伏潜力和区域潜力来计算的。使用全球光伏潜力和区域潜力对不同地区的总能量生成进行估算相应的未来土地面积需求。土地面积需求根据不同气候情景和不同技术在全球和不同地区计算。潜在的敏感性分析显示出个别气候变量对光伏潜力的影响。气候变化影响在不同世界银行地区进行了评估。
探索不同土地用途下的太阳能光伏部署的可能性，用于未来光伏部署的全球土地分数范围和对未来能源需求的供应能力进行估计。