工程师打造可持续工作30年的透明太阳能板

透明的太阳能电池可以将建筑物改造成极高的发电厂，从闪闪发光的玻璃幕墙发电。但透明技术在主流应用方面面临着巨大障碍：有机材料在阳光下烘烤时降解相对较快。

安娜堡密歇根大学的新方法可能会极大地延长太阳能窗户的使用寿命。在一项新的研究中，研究人员表示他们的太阳能电池设计可以在高达30年的效率下工作，与传统硅太阳能电池板的预期寿命大致相当。现在，该团队正在努力缩放他们的斑点大小的设备，以匹配一个小窗口的尺寸。

如果他们成功了，“这将改变建筑的未来，”密歇根大学的助理研究科学家Yongxi Li和《自然通讯》论文的第一作者预测道，“如果所有的建筑都有这种透明设备，他们就可以自己供电了。”

据Freedonia Group预测，到2023年，随着全球建筑和制造活动的扩大，全球平板玻璃需求预计将达到119亿平方米。

英国剑桥IDTechEx的技术分析师Xiaoxi He将这项研究描述为“真正的创新工作”。不过，她补充说，从改进实验室技术到制造设备，最终大规模生产太阳能窗户，还有许多步骤要走。

有机太阳能电池使用碳基化合物作为半导体材料，通过油墨印刷或在塑料背衬上以极薄的层涂敷。这种材料可以吸收近红外的光子，近红外是光谱中不可见的部分，占了阳光中的大部分能量。使用硅半导体的传统太阳能电池可以捕获更多的光子，因此更有效地将阳光转化为电能。但它们也较厚且不透明，这对于窗户或天窗来说并不理想。

目前，最有效的太阳能电池板是由硅制成的，但这种材料并不透明，两种类型的材料被用于太阳能电池，称为"非富勒烯受体"和"富勒烯受体"。前者比后者更坚固，但效率较低。

Li和他的同事最初设计了一种带有“非富勒烯受体”的有机太阳能电池。这些材料存在于将光产生的电子转移到电极的分子中。利用氧化铟锡制成的电极，研究人员创造了一种效率为8.1%的彩色中性太阳能电池，这是这种有机设计的记录。更换银电极将电池的效率提高到10.1%，尽管这种电池的绿色不太理想。

然而，研究人员发现这些创纪录的效率并没有持续很长时间。非富勒烯受体含有弱键，在紫外线或其他高能照片下很容易解离，Li说。在实验室实验中，当暴露在相当于一个太阳的光照下时，有机电池的效率在12周内下降到初始值的40%以下。

因此研究人员设计了一套解决方案。该团队包括罗利北卡罗来纳州立大学、天津大学和浙江大学的工程师。

A transmission electron microscope (TEM) image of a cross-sectional slice of the organic photovoltaic solar cell. The image reveals an intact organic active region with no breakdown at the edges.  KAN DING/UNIVERSITY OF MICHIGAN ENGINEERING

为了阻挡有害的紫外线并防止这些键的分解，工程师们在太阳能电池面向太阳的一侧添加了一层简单的氧化锌——防晒霜和尿布疹软膏中的一种常见成分。接下来，他们确定太阳能电池的大部分降解发生在有机和无机材料之间的界面上。通过添加超薄的碳基材料“缓冲层”，研究人员成功地阻止了化学变化，提高了稳定性。

然后，他们将尺寸约为0.1平方厘米的小面积太阳能电池装置暴露在不同的照明水平下。通常，地球表面每平方米的太阳能大约有1000瓦。在标准光谱中，一个太阳照度定义为100毫瓦/平方厘米的辐照度。

当工程团队将他们的设备暴露在一个太阳下1900小时时，电池保持了其初始效率的94%。他们在高达65°C的温度下，将日照增加到27个太阳。根据他们的实验，研究人员推断，30年后太阳能电池将保持80%的效率。（传统硅电池的寿命预计在25至30年之间。）

Li说，密歇根州的研究小组已经开发出一个15平方厘米的“迷你”太阳能窗，以测试保护层和缓冲层是否能防止材料在更大范围内降解。挑战在于，有源太阳能电池层越大，出现缺陷的机会就越大。“我们需要演示如何形成一个均匀场，”他说。

IDTechEx分析师He表示，除了实际的太阳能电池之外，还有许多其他因素可以决定太阳能窗户的工作情况，以及它是否能够产生足够的电力，以证明建筑开发商或运营商的额外费用是合理的。建筑物的地理位置、当地太阳能资源的数量、窗户的角度、建筑物的高度及其总体设计都会显著影响太阳能装置的性能。

“当我们看到技术进步时，我们总是非常激动，”她说。“但是，从实验室到大规模商业应用的实际采用，通常还需要考虑很多因素和运气。”