美國(guó)密歇根州立大學(xué)(MSU)的一組研究人員開(kāi)發(fā)出一種完全透明的太陽(yáng)能電池板，這一突破可以應(yīng)用在建筑領(lǐng)域以及移動(dòng)電子或汽車(chē)行業(yè)等其他領(lǐng)域。
趙一木(音)專(zhuān)家舉起透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器模塊–攝影：趙一木
MSU團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種透明的太陽(yáng)能電池板(TLSC)，可以將其放置在窗戶(hù)或任何其他透明表面上。聚光器可以收集太陽(yáng)能而不會(huì)影響光透射率。該技術(shù)使用有機(jī)分子吸收人眼不可見(jiàn)的光的波長(zhǎng)，例如紅外線和紫外線。
圖中顯示了透明的太陽(yáng)能電池板，背景中有彩色的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板。新的LSC可以產(chǎn)生太陽(yáng)能，但在窗戶(hù)或其他透明表面上看不到–由密歇根州立大學(xué)提供，攝影：GL Kohuth
“我們可以對(duì)這些材料進(jìn)行調(diào)諧，使其僅吸收紫外線和近紅外波長(zhǎng)的光線，然后在紅外光中的另一個(gè)波長(zhǎng)上'發(fā)光'” –理查德·倫特(Richard Lunt)，密歇根州立大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程和材料科學(xué)助理教授。捕獲的能量被傳輸?shù)矫姘宓妮喞诖私柚夥?yáng)能電池的匯流條將其轉(zhuǎn)換為電能。
化學(xué)工程和材料科學(xué)的博士生趙一木(音)和化學(xué)工程和材料科學(xué)的助理教授理查德·倫特，攝影：GL Kohuth
技術(shù)原理
從科學(xué)上講，透明的太陽(yáng)能電池板有點(diǎn)矛盾。太陽(yáng)能電池，特別是光伏電池，通過(guò)吸收光子(陽(yáng)光)并將其轉(zhuǎn)換為電子(電)來(lái)產(chǎn)生能量。如果材料是透明的，意味著所有的光通過(guò)的通過(guò)介質(zhì)到達(dá)您的眼睛。這就是為什么以前的透明太陽(yáng)能電池實(shí)際上只是部分透明的原因，即便如此，它們通常也會(huì)投射出五顏六色的陰影。
為了克服這一限制，密歇根州立大學(xué)的研究人員使用了一種略有不同的技術(shù)來(lái)收集陽(yáng)光。他們沒(méi)有嘗試創(chuàng)建透明的光伏電池(這幾乎是不可能的)，而是使用透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器(TLSC)。發(fā)光太陽(yáng)能聚光器(LSC)是一塊透明的塑料或玻璃，上面嵌入或涂有熒光染料或量子點(diǎn)。染料吸收光，然后發(fā)出熒光，產(chǎn)生一種輝光，該輝光通過(guò)全內(nèi)反射傳播到薄板的邊緣，在那里，光被狹窄的太陽(yáng)能電池吸收。這是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，因?yàn)樗梢允占竺娣e的幾乎透明的玻璃，而使用面積較小的昂貴的太陽(yáng)能電池。集中系數(shù)是孔與邊緣的比率。可以調(diào)整發(fā)光材料以在某些波長(zhǎng)(例如紫外線UV)吸收，并在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)處重新發(fā)射，在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，硅的吸收是最佳的。[研究論文：DOI：10.1002 / adom.201400103 –“近紅外收集透明發(fā)光太陽(yáng)能聚光器”]
如果仔細(xì)觀察，您會(huì)在材料塊的邊緣看到幾個(gè)黑條。但是，活性有機(jī)材料以及整個(gè)太陽(yáng)能電池板都是高度透明的。
TLSC原型目前的效率約為1%，但他們認(rèn)為一旦開(kāi)始生產(chǎn)，就有可能達(dá)到10%。非透明的發(fā)光聚光器最大約為7%。這些數(shù)字本身并不是一個(gè)很大的數(shù)字，但是從更大的角度來(lái)看(房屋或辦公大樓中的每個(gè)窗戶(hù))，這些數(shù)字是可以累加的。而且，雖然我們可能不是在討論一種可以使您的智能手機(jī)或平板電腦無(wú)限期運(yùn)行的技術(shù)，但用TLSC替換設(shè)備的顯示屏可以為您節(jié)省幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)的電池使用時(shí)間。
倫特在接受密歇根州立大學(xué)今日博客采訪時(shí)說(shuō)：“它開(kāi)辟了很多區(qū)域，以非侵入性的方式部署太陽(yáng)能。” “它可以用于帶有許多窗戶(hù)的高層建筑，或任何需要高美學(xué)質(zhì)量的移動(dòng)設(shè)備，例如電話或電子閱讀器。最終，我們要制造甚至不知道在那里的太陽(yáng)能集熱表面。”
研究人員相信，該技術(shù)可以一直擴(kuò)展到從大型工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用到消費(fèi)設(shè)備，并保持價(jià)格合理。迄今為止，大規(guī)模采用太陽(yáng)能的最大障礙之一是太陽(yáng)能電池板的侵入性和損害美觀—顯然，如果我們能夠從看起來(lái)像普通玻璃板的玻璃和塑料板中產(chǎn)生大量太陽(yáng)能，和塑料，那將是不可思議的。
這一發(fā)展將使建筑物的外墻得到最大的利用，因?yàn)榇怪备叨韧ǔ１任蓓數(shù)囊螅绕涫菍?duì)于玻璃幕墻建筑。因此，在不更改建筑設(shè)計(jì)的情況下，透明太陽(yáng)能面板的太陽(yáng)能收集將，該技術(shù)可以輕松地集成到舊建筑物中。
早期的研究
早在2011年，還是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員得理查德·倫特博士就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展這方面的研究。當(dāng)年他在接受《紐約時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)：“我們認(rèn)為將它們整合到高層建筑中的潛力很大。”
先前對(duì)透明太陽(yáng)能電池的嘗試要么未能實(shí)現(xiàn)高效率，要么阻擋了太多的光而無(wú)法在窗戶(hù)中使用。但是，這種新型電池基于類(lèi)似于染料和顏料的有機(jī)分子，被定制為僅吸收近紅外光譜，并且有潛力以相對(duì)較高的效率將光轉(zhuǎn)化為電能。
在開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用中，最大的挑戰(zhàn)將是壽命。單元格可以包裝在雙窗格式窗口的中間，這將提供對(duì)元素的保護(hù)。但是，電池的壽命仍然需要接近窗戶(hù)本身的壽命，幾十年后才可以更換。
麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授弗拉基米爾·布洛維奇(Vladimir Bulovic)說(shuō)：“要使該功能真正有用，就必須延長(zhǎng)其使用壽命，并確保其使用壽命至少達(dá)到20年，甚至更長(zhǎng)。”布洛維奇先生說(shuō)，先前為延長(zhǎng)與有機(jī)太陽(yáng)能電池具有特性的有機(jī)發(fā)光二極管或LED的壽命所做的工作表明，壽命并不是一個(gè)特別困難的問(wèn)題。他說(shuō)：“目前看來(lái)，這是一個(gè)工程問(wèn)題。” “我希望在十年內(nèi)將解決這些問(wèn)題。”
如果電池可以制造得很耐用，則它們可以相對(duì)便宜地集成到窗戶(hù)中，因?yàn)槌Ｒ?guī)光伏電池的大部分成本不是來(lái)自太陽(yáng)能電池本身，而是來(lái)自安裝在鋁和玻璃上的材料。用太陽(yáng)能電池涂覆現(xiàn)有結(jié)構(gòu)將消除一些材料成本。
倫特博士說(shuō)，如果透明電池最終證明在商業(yè)上可行，那么它們產(chǎn)生的能量將大大抵消大型建筑物的能源消耗。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在努力提高能源生產(chǎn)效率，目前該效率為1%。目標(biāo)是超過(guò)5%。如果開(kāi)發(fā)成功，那么該材料的應(yīng)用潛力將是無(wú)限的。密蘇里州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員包括趙一木，本杰明·萊文和加勒特·米克。
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