未來用窗戶玻璃發(fā)電或成可能

中 玻

太陽能發(fā)電可說是當前最受歡迎的可再生能源技術，不少科學家為了擴大太陽能板的應用與范圍，積極著手研究透明太陽能電池，欲將太陽能發(fā)電與建筑物相結合，讓未來的樓房都變成虛擬電廠。例如日本Kaneka研發(fā)的半透明太陽能電池已安裝于新國立競技場上方，它由多層網(wǎng)狀玻璃組成，且具有防火功能。于是大家腦洞大開：如果透明太陽能電池研制成功并商業(yè)化，這意味著城市建筑中的玻璃窗都可以被打造成太陽能電池面板，甚至是電子閱讀器、平板電腦、智能手機和智能手表及平板玻璃屏幕都能夠吸收陽光延長續(xù)航。

據(jù)了解，目前常見的矽晶太陽能板顏色為湛藍色，對于重視建筑美學或住家外觀環(huán)境的來說，在屋頂放置太陽能板薄有微詞。新一代透明太陽能板或許能解決這些煩惱，它可以用作建筑物的窗戶玻璃或天窗，吸收太陽光發(fā)電的同時還能保有光線與正常視野，這種發(fā)明或許將是改變建筑物、發(fā)電與城市面貌的先驅者。

曾有材料科學家在玻璃中嵌入光吸收薄膜，讓玻璃成功變?yōu)榘l(fā)電設備，但玻璃面板僅吸收特定波長，玻璃會自帶紅色或棕色濾鏡，無法在發(fā)電的同時滿足光線射入與視野。因此，科學家們也在尋找新的材料來制造這種透明的太陽能電池，如有機太陽能等新興材料。由有機聚合物或燃料制成的有機太陽能電池，由于不需要高耗能真空設備，制程以溶液涂布印刷為主，因此制造成本相對低，還具有低耗能、低碳優(yōu)勢；可根據(jù)不同化學配方與制程，讓太陽能玻璃吸收不同波段的光、整透明度，或是制備成可撓模組，不僅有機會整合汽車、建筑物，也可以與穿戴式設備結合，擁有獨特的優(yōu)勢。

不管是矽晶與有機太陽能結合，還是鈣鈦礦與有機太陽能結合，近年來各國科學家們都為能開發(fā)出可采光、隔熱與發(fā)電的太陽能窗戶而努力著：韓國蔚山國立科學技術研究院（UNIST）基于矽棒與柔軟的透明聚合物開發(fā)出彈性可伸縮的透明太陽能電池，轉換效率達8%，且經(jīng)過數(shù)十次彎曲測試后其性能仍可維持95%左右；2017年美國國家實驗室（NREL）研發(fā)出的半透明有機太陽能窗，光電轉換效率可達11.3%。

澳大利亞蒙納士大學（Monash University）、聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）的研究人員通過鈣鈦礦太陽能電池與有機聚合物，研發(fā)出了一款便宜又穩(wěn)定的半透明太陽能板，轉換效率高達17%，相關研究成果已發(fā)表于《Nano Energy》雜志。目前鈣鈦礦太陽能電池已發(fā)展成為極具潛力的太陽能技術。由于結構穩(wěn)定、體積小、生產(chǎn)成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在短短數(shù)10年間已能與矽晶太陽能電池媲美，其應用比堅硬、缺乏彈性的矽晶太陽能電池更廣。鈣鈦礦太陽能電池結構為陰極-電子傳輸層-鈣鈦礦的光吸收層（主動層）-電洞傳輸層-陽極，通常都采用Spiro-OMeTAD材料作為電洞傳輸層，而他們則使用了一種可以制成聚合物的有機半導體來代替這一常用的太陽能電池材料，由此產(chǎn)生了驚人的效果。

通常屋頂型太陽能的轉換效率介于15%～20%之間，新型半透明的電池轉換效率為17%，但仍能透射10%以上的入射光，且每平方米可產(chǎn)生140W電力，兩平方米的太陽能窗能產(chǎn)生的電量相當于一個標準的屋頂太陽能板。研究人員表示，這雖然會增加相應的成本但卻可以省下整棟樓的電費。目前該研究團隊正與澳大利亞玻璃制造商Viridian Glass攜手合作，希望能將該研究成果轉化成商業(yè)產(chǎn)品。他們表示，或許這還要花10年才能進入商業(yè)應用，但這種技術可提供新的創(chuàng)新與機會卻是不容置疑的。

雖然截至目前有關透明太陽能電池的研究已不在少數(shù)，但至今卻仍未有跨入商業(yè)化應用的案例，究其原因：光電轉換效率往往比較低，造價相對較高；沒有先例裝置記錄可供參考，需要搞清楚如何閉合各個窗戶太陽能的電源、維護運營方式、逆變器設備等實際問題；需要前期投資以建立規(guī)模生產(chǎn)等。可見透明太陽能電池距離大規(guī)模商業(yè)化應用仍有一段較遠的距離。