[科技篇]半透明的太阳能电池让窗户发电?

2018-07-23

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数百年来,窗户在生活中随处可见。使我们的家园和工作场所充满明亮的光线。但如果它们也能发电呢?如果你的窗户可以帮你的手机充电,甚至煮沸你水壶里的水?

太阳为地球提供了源源不绝的能量,太阳能窗户将是利用太阳能一个很好的方式。而近期,澳洲新南威尔斯大学的研究团队利用新的有机材料,研发出兼具演色性又能吸收红外线太阳能的半透明太阳能电池!

随着环保意识的抬头,各国对于再生能源的需求日益增加。以太阳能为例,硅太阳能电池已经在屋顶市场占据领导地位,这可归因于其越来越便宜和高效的发电方式。虽然利用屋顶放置太阳能板发电这个想法的确不错,但这些硅板不透明且体积庞大,无法应用于窗户等平面物体。为了设计适合用于窗户的太阳能电池,我们必须有更创新的想法。

当我们将太阳能板放置于屋顶上时,我们希望它能尽可能吸收多一点的阳光,以最大的产能功率。但对于窗户的相关应用来说,在吸收光线转换成电力和透射光线之间不可避免地必须有所取舍,我们才能透过窗户看到外面的世界。因此,科学家们一直试图在发电和平均可见光穿透率(AVT)之间寻找能达到双赢的方法。

一般我们认为,太阳能窗户至少需具备 25% 的 AVT。但是仅吸收四分之三的光线并没办法使太阳能电池产生大量的电流,这也是为什么半透明电池的发电效率迄今为止仍然很低的原因。

但请注意,电力的多寡取决于两个因素:电流和电压。新南威尔斯大学的研究团队决定专注于提高电压,于是他们仔细选择了新的有机材料,这些材料已被证明可在非透明电池中产生高电压。

那如果窗户是由这些由新材料所组成的半透明电池所构成,窗户又会是什么样子呢?

如果你的朋友穿着红色衬衫,当你透过一个一般的窗户看他时,他的衬衫应该是红色的,因为玻璃窗是透明的。但是因为半透明太阳能电池吸收了我们所能看到的一些光线,所以我们需要更仔细地考虑其演色性。我们可以藉由计算所谓的演色性指数(color rendering index,CRI 是一种描述光源忠实呈现物体颜色能力的量值。光源的演色性越高,其颜色表现就越接近理想光源或自然光)来测量细胞如何准确地呈现图像。新南威尔斯大学研究团队的调查显示,改变吸收层的厚度不仅会影响电池所产生的电能,还会改变其准确表现颜色的能力。

研究团队也发现:若是将现有的有机吸收材料(太阳能电池按照其制作材料可分为:硅基半导体电池、CdTe 薄膜电池、CIGS 薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等)替换成吸收可见光范围外之太阳能的材料,可以产生极高的演色性指数。这意味着这些电池在人们的眼中将会看起来和一般玻璃相同,因为它们所吸收的光的波长介于人们所不可见的红外线范围内。

然而,这也限制了电池的发电效率,因为避免吸收可见光将使其无法有效地将太阳能转化为电力(从太阳光的光谱分布我们可以得知:46 %为可见光、49 %为红外光、5 %是紫外光。若是能使其吸收大部分、甚至是全部的太阳光,那么太阳能电池的效率将可以大大的提高)。

到目前为止,研究团队仅进行了小规模的测试,因为在建造大型且高效率的太阳能窗之前,仍然存在几个障碍,举例来说,电池所使用的透明电极极为脆弱且含有稀有元素(例如:铟)。

如果科学家能解决这些问题,大规模部署太阳能窗将有助于再生能源的发展。

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