读这篇文章时,你能看到一扇窗户吗?
几个世纪以来,窗户一直遍布社会各处,为我们的住宅和工作场所带来自然光。但如果窗户还能发电呢?如果你家这扇不起眼的窗户也能帮你给手机充电,或者烧开水呢?
仅在美国,玻璃表面积就有50亿至70亿平方米;太阳能窗户将是利用太阳能的绝佳方式。我们的研究朝着这一目标迈出了一步,展示了如何制造既能让足够的光线透过、又能发挥窗户作用的太阳能电池板。
可再生能源的经济效益正变得越来越有利。在澳大利亚和世界许多其他地区,硅太阳能电池已经主导屋顶市场。屋顶太阳能发电正成为一种越来越便宜、高效的发电方式。
不过,硅组件虽然非常适合屋顶,却不透明且笨重。要设计适用于窗户的太阳能电池,我们必须跳出固有思路。
在屋顶安装太阳能电池板时,我们希望它尽可能多地吸收阳光,从而产生尽可能多的电力。对于窗户来说,吸收光线并将其转化为电力,与透过光线以便我们仍能看穿窗户之间,不可避免地需要权衡。
考虑可安装在窗户上的电池时,一个关键参数称为平均可见光透射率(AVT)。它指照射到窗户上的可见光(相对于红外线或紫外线等其他波长)中,穿过窗户并从另一侧射出的比例。
当然,我们不希望太阳能窗户吸收太多光线,以至于我们无法再向外看。我们也不希望它让太多光线透过,导致几乎无法产生太阳能。因此,科学家一直在寻找电气效率与高AVT之间的理想平衡。
电压的作用
一般认为,太阳能窗户的AVT达到25%才算合格基准。但让四分之一的光线穿过太阳能电池,会使其难以产生大量电流,这也是半透明电池迄今效率较低的原因。
不过要注意,电功率取决于两个因素:电流和电压。在我们最近的研究中,我们决定着重提高电压。我们仔细挑选了新型有机吸收材料,这些材料已被证明能在不透明电池中产生高电压。
将这些材料用于半透明太阳能电池时,电压也很高,因为大量透射光并未显著降低电压。因此,尽管与不透明电池相比,电流有所下降,但较高的电压使我们实现了高于以往半透明电池的效率。
进展至此,关键问题是:如果窗户由我们这种新型半透明电池制成,会是什么样子?
你看到的和我看到的一样吗?
如果你的朋友穿着红衬衫,你隔着窗户看他时,他的衬衫应该看起来仍是红色。这似乎显而易见,因为普通玻璃窗肯定会呈现这种效果。
但由于半透明太阳能电池会吸收可见光谱中的一部分光线,我们需要更仔细地考虑其显色性能。我们可以计算所谓的显色指数(CRI),以衡量电池准确呈现图像的能力。我们的研究表明,改变吸收层的厚度不仅会影响电池产生的电功率,也会改变其准确呈现色彩的能力。
另一种前景可观的方法,有望实现出色的CRI,即用一种能够吸收太阳能量、但吸收范围处于可见光范围之外的材料替代有机吸收材料。这意味着在人眼看来,这种电池会像普通玻璃一样,因为太阳能转换发生在红外范围内。
然而,这会限制电池能够达到的效率,因为它大幅限制了太阳能转化为电能的数量。
下一步是什么?
迄今为止,我们只在小规模原型阶段制造了这些电池。在制造大型高效太阳能窗户之前,仍有几道难关需要克服。尤其是,用于收集这些电池电荷的透明电极可能易碎,而且含有铟等稀有元素。
如果科学界能解决这些问题,大规模部署太阳能窗户将有助于增加可再生能源技术的发电量。
因此,太阳能窗户虽然尚未完全呈现在眼前,但我们已经离一睹其真容不远了。






