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(dāng)前最受歡迎的可再生能源技術(shù)，不少科學(xué)家為了擴(kuò)大太陽能板的應(yīng)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(jié)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(jī)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(lán)色，對于重視建筑美學(xué)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(qū)者。

曾有材料科學(xué)家在玻璃中嵌入光吸收薄膜，讓玻璃成功變?yōu)榘l(fā)電設(shè)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(xué)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(jī)太陽能等新興材料。由有機(jī)聚合物或燃料制成的有機(jī)太陽能電池，由于不需要高耗能真空設(shè)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(xué)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(jī)會整合汽車、建筑物，也可以與穿戴式設(shè)備結(jié)合，擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。

不管是矽晶與有機(jī)太陽能結(jié)合，還是鈣鈦礦與有機(jī)太陽能結(jié)合，近年來各國科學(xué)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(xué)技術(shù)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(zhuǎn)換效率達(dá)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(shí)驗(yàn)室（NREL）研發(fā)出的半透明有機(jī)太陽能窗，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)11.3%。

澳大利亞蒙納士大學(xué)（Monash University）、聯(lián)邦科學(xué)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(jī)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(zhuǎn)換效率高達(dá)17%，相關(guān)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(shù)。由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小、生產(chǎn)成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在短短數(shù)10年間已能與矽晶太陽能電池媲美，其應(yīng)用比堅(jiān)硬、缺乏彈性的矽晶太陽能電池更廣。鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)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(zhuǎn)換效率介于15%～20%之間，新型半透明的電池轉(zhuǎn)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(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)的屋頂太陽能板。研究人員表示，這雖然會增加相應(yīng)的成本但卻可以省下整棟樓的電費(fèi)。目前該研究團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)化成商業(yè)產(chǎn)品。他們表示，或許這還要花10年才能進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，但這種技術(shù)可提供新的創(chuàng)新與機(jī)會卻是不容置疑的。

雖然截至目前有關(guān)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(yīng)用的案例，究其原因：光電轉(zhuǎn)換效率往往比較低，造價(jià)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(hù)運(yùn)營方式、逆變器設(shè)備等實(shí)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(yīng)用仍有一段較遠(yuǎn)的距離。