趙一木(音)專家舉起透明的發(fā)光太陽能聚光器模塊–攝影：趙一木

MSU團隊開發(fā)了一種透明的太陽能電池板(TLSC)，可以將其放置在窗戶或任何其他透明表面上。聚光器可以收集太陽能而不會影響光透射率。該技術(shù)使用有機分子吸收人眼不可見的光的波長，例如紅外線和紫外線。

圖中顯示了透明的太陽能電池板，背景中有彩色的傳統(tǒng)太陽能電池板。新的LSC可以產(chǎn)生太陽能，但在窗戶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

“我們可以對這些材料進行調(diào)諧，使其僅吸收紫外線和近紅外波長的光線，然后在紅外光中的另一個波長上'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?，在此借助光伏太陽能電池的匯流條將其轉(zhuǎn)換為電能。

技術(shù)原理

從科學(xué)上講，透明的太陽能電池板有點矛盾。太陽能電池，特別是光伏電池，通過吸收光子(陽光)并將其轉(zhuǎn)換為電子(電)來產(chǎn)生能量。如果材料是透明的，意味著所有的光通過的通過介質(zhì)到達您的眼睛。這就是為什么以前的透明太陽能電池實際上只是部分透明的原因，即便如此，它們通常也會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)來收集陽光。他們沒有嘗試創(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)光太陽能聚光器(TLSC)。發(fā)光太陽能聚光器(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。染料吸收光，然后發(fā)出熒光，產(chǎn)生一種輝光，該輝光通過全內(nèi)反射傳播到薄板的邊緣，在那里，光被狹窄的太陽能電池吸收。這是一項很有前途的技術(shù)，因為它可以收集大面積的幾乎透明的玻璃，而使用面積較小的昂貴的太陽能電池。集中系數(shù)是孔與邊緣的比率?？梢哉{(diào)整發(fā)光材料以在某些波長(例如紫外線UV)吸收，并在較長的波長處重新發(fā)射，在更長的波長處，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)光太陽能聚光器”]

如果仔細觀察，您會在材料塊的邊緣看到幾個黑條。但是，活性有機材料以及整個太陽能電池板都是高度透明的。

TLSC原型目前的效率約為1%，但他們認為一旦開始生產(chǎn)，就有可能達到10%。非透明的發(fā)光聚光器最大約為7%。這些數(shù)字本身并不是一個很大的數(shù)字，但是從更大的角度來看(房屋或辦公大樓中的每個窗戶)，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或平板電腦無限期運行的技術(shù)，但用TLSC替換設(shè)備的顯示屏可以為您節(jié)省幾分鐘或幾個小時的電池使用時間。

倫特在接受密歇根州立大學(xué)今日博客采訪時說：“它開辟了很多區(qū)域，以非侵入性的方式部署太陽能。” “它可以用于帶有許多窗戶的高層建筑，或任何需要高美學(xué)質(zhì)量的移動設(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能集熱表面。”

研究人員相信，該技術(shù)可以一直擴展到從大型工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用到消費設(shè)備，并保持價格合理。迄今為止，大規(guī)模采用太陽能的最大障礙之一是太陽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像普通玻璃板的玻璃和塑料板中產(chǎn)生大量太陽能，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，因為垂直高度通常比屋頂?shù)囊?，尤其是對于玻璃幕墻建筑。因此，在不更改建筑設(shè)計的情況下，透明太陽能面板的太陽能收集將，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)院電子研究實驗室的博士后研究員得理查德·倫特博士就已經(jīng)開始開展這方面的研究。當(dāng)年他在接受《紐約時報》采訪時說：“我們認為將它們整合到高層建筑中的潛力很大。”

先前對透明太陽能電池的嘗試要么未能實現(xiàn)高效率，要么阻擋了太多的光而無法在窗戶中使用。但是，這種新型電池基于類似于染料和顏料的有機分子，被定制為僅吸收近紅外光譜，并且有潛力以相對較高的效率將光轉(zhuǎn)化為電能。

在開發(fā)新型太陽能電池的商業(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，這將提供對元素的保護。但是，電池的壽命仍然需要接近窗戶本身的壽命，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：“要使該功能真正有用，就必須延長其使用壽命，并確保其使用壽命至少達到20年，甚至更長。”布洛維奇先生說，先前為延長與有機太陽能電池具有特性的有機發(fā)光二極管或LED的壽命所做的工作表明，壽命并不是一個特別困難的問題。他說：“目前看來，這是一個工程問題。” “我希望在十年內(nèi)將解決這些問題。”

如果電池可以制造得很耐用，則它們可以相對便宜地集成到窗戶中，因為常規(guī)光伏電池的大部分成本不是來自太陽能電池本身，而是來自安裝在鋁和玻璃上的材料。用太陽能電池涂覆現(xiàn)有結(jié)構(gòu)將消除一些材料成本。

倫特博士說，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，該團隊正在努力提高能源生產(chǎn)效率，目前該效率為1%。目標是超過5%。如果開發(fā)成功，那么該材料的應(yīng)用潛力將是無限的。密蘇里州立大學(xué)的研究團隊成員包括趙一木，本杰明·萊文和加勒特·米克。