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未来用窗户玻璃发电或成可能

太阳能发电可说是当前很受欢迎的可再生能源技术,不少科学家为了扩大太阳能板的应用与范围,积极着手研究透明太阳能电池,欲将太阳能发电与建筑物相结合,让未來的楼房都变成虚拟电厂。

例如,日本Kaneka研发的半透明太阳能电池已安装于新国立竞技场上方,它由多层网状玻璃组成,且具有防火功能。于是大家脑洞大开:如果透明太阳能电池研制成功并商业化,这意味着城市建筑中的玻璃窗都可以被打造成太阳能电池面板,甚至是电子阅读器、平板电脑、智能手机和智能手表及平板玻璃屏幕都能够吸收阳光延长续航。

据了解,目前常见的矽晶太阳能板颜色为湛蓝色,对于重视建筑美学或住家外观环境的来说,在屋顶放置太阳能板薄有微词。新一代透明太阳能板或许能解决这些烦恼,它可以用作建筑物的窗户玻璃或天窗,吸收太阳光发电的同时还能保有光线与正常视野,这种发明或许将是改变建筑物、发电与城市面貌的先驱者。

曾有材料科学家在玻璃中嵌入光吸收薄膜,让玻璃成功变为发电设备,但玻璃面板仅吸收特定波长,玻璃会自带红色或棕色滤镜,无法在发电的同时满足光线射入与视野。因此,科学家们也在寻找新的材料来制造这种透明的太阳能电池,如有机太阳能等新型材料。

由有机聚合物或燃料制成的有机太阳能电池,由于不需要高耗能真空设备,制程以溶液涂布印刷为主,因此制造成本相对低,还具有低耗能、低碳优势;可根据不同化学配方与制程,让太阳能玻璃吸收不同波段的光、整透明度,或是制备成可挠模组,不仅有机会整合汽车、建筑物,也可以与穿戴式设备结合,拥有独特的优势。

不管是矽晶与有机太阳能结合,还是钙钛矿与有机太阳能结合,近年来各国科学家们都为能开发出可采光、隔热与发电的太阳能窗户而努力着:韩国蔚山国立科学技术研究院(UNIST)基于矽棒与柔软的透明聚合物,开发出弹性可伸缩的透明太阳能电池,转换效率达8%,且经过数10次弯曲测试后其性能仍可维持95%左右;2017年,美国国家实验室(NREL)研发出的半透明有机太阳能窗,光电转换效率可达11.3%。

近日,澳大利亚蒙纳士大学(Monash University)、联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的研究人员,通过钙钛矿太阳能电池与有机聚合物,研发出了一款便宜又稳定的半透明太阳能板,转换效率高达17%,相关研究成果已发表于《Nano Energy》杂志。

目前,钙钛矿太阳能电池已发展成为极具潜力的太阳能技术。由于结构稳定、体积小、生产成本低、绿色环保等优点,在短短数10年间已能与矽晶太阳能电池媲美,其应用比坚硬、缺乏弹性的矽晶太阳能电池更广。

据研究人员介绍,钙钛矿太阳能电池结构为阴极-电子传输层-钙钛矿的光吸收层(主动层)-电洞传输层-阳极,通常都采用Spiro-OMeTAD材料作为电洞传输层。而他们则使用了一种可以制成聚合物的有机半导体,来代替这一常用的太阳能电池材料,由此产生了惊人的效果。

通常屋顶型太阳能的转换效率介于15%~20%之间,新型半透明的电池转换效率为17%,但仍能透射10%以上的入射光,且每平方米可产生140W电力,两平方米的太阳能窗能产生的电量相当于一个标准的屋顶太阳能板。研究人员表示,这虽然会增加相应的成本,但却可以省下整栋楼的电费。

据悉,目前该研究团队正与澳大利亚玻璃制造商Viridian Glass携手合作,希望能将该研究成果转化成商业产品。他们表示,或许这还要花10年才能进入商业应用,但这种技术可提供新的创新与机会却是不容置疑的。

虽然,截至目前有关透明太阳能电池的研究已不在少数,但至今却仍未有跨入商业化应用的案例,究其原因:光电转换效率往往比较低,造价相对较高;没有先例装置记录可供参考,需要搞清楚如何闭合各个窗户太阳能的电源、维护运营方式、逆变器设备等实际问题等;需要前期投资以建立规模生产等。可见,透明太阳能电池距离大规模商业化应用仍有一段较远的距离。

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