透明的太陽能電池可以將建筑物改造成極高的發(fā)電廠，從閃閃發(fā)光的玻璃幕墻發(fā)電。但透明技術在主流應用方面面臨著巨大障礙：有機材料在陽光下烘烤時降解相對較快。

安娜堡密歇根大學的新方法可能會極大地延長太陽能窗戶的使用壽命。在一項新的研究中，研究人員表示他們的太陽能電池設計可以在高達30年的效率下工作，與傳統(tǒng)硅太陽能電池板的預期壽命大致相當?，F(xiàn)在，該團隊正在努力縮放他們的斑點大小的設備，以匹配一個小窗口的尺寸。

如果他們成功了，“這將改變建筑的未來，”密歇根大學的助理研究科學家Yongxi Li和《自然通訊》論文的第一作者預測道，“如果所有的建筑都有這種透明設備，他們就可以自己供電了?！?

據(jù)Freedonia Group預測，到2023年，隨著全球建筑和制造活動的擴大，全球平板玻璃需求預計將達到119億平方米。

英國劍橋IDTechEx的技術分析師Xiaoxi He將這項研究描述為“真正的創(chuàng)新工作”。不過，她補充說，從改進實驗室技術到制造設備，最終大規(guī)模生產(chǎn)太陽能窗戶，還有許多步驟要走。

有機太陽能電池使用碳基化合物作為半導體材料，通過油墨印刷或在塑料背襯上以極薄的層涂敷。這種材料可以吸收近紅外的光子，近紅外是光譜中不可見的部分，占了陽光中的大部分能量。使用硅半導體的傳統(tǒng)太陽能電池可以捕獲更多的光子，因此更有效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能。但它們也較厚且不透明，這對于窗戶或天窗來說并不理想。

目前，最有效的太陽能電池板是由硅制成的，但這種材料并不透明，兩種類型的材料被用于太陽能電池，稱為"非富勒烯受體"和"富勒烯受體"。前者比后者更堅固，但效率較低。

Li和他的同事最初設計了一種帶有“非富勒烯受體”的有機太陽能電池。這些材料存在于將光產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到電極的分子中。利用氧化銦錫制成的電極，研究人員創(chuàng)造了一種效率為8.1%的彩色中性太陽能電池，這是這種有機設計的記錄。更換銀電極將電池的效率提高到10.1%，盡管這種電池的綠色不太理想。

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)這些創(chuàng)紀錄的效率并沒有持續(xù)很長時間。非富勒烯受體含有弱鍵，在紫外線或其他高能照片下很容易解離，Li說。在實驗室實驗中，當暴露在相當于一個太陽的光照下時，有機電池的效率在12周內(nèi)下降到初始值的40%以下。

因此研究人員設計了一套解決方案。該團隊包括羅利北卡羅來納州立大學、天津大學和浙江大學的工程師。

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

為了阻擋有害的紫外線并防止這些鍵的分解，工程師們在太陽能電池面向太陽的一側添加了一層簡單的氧化鋅——防曬霜和尿布疹軟膏中的一種常見成分。接下來，他們確定太陽能電池的大部分降解發(fā)生在有機和無機材料之間的界面上。通過添加超薄的碳基材料“緩沖層”，研究人員成功地阻止了化學變化，提高了穩(wěn)定性。

然后，他們將尺寸約為0.1平方厘米的小面積太陽能電池裝置暴露在不同的照明水平下。通常，地球表面每平方米的太陽能大約有1000瓦。在標準光譜中，一個太陽照度定義為100毫瓦/平方厘米的輻照度。

當工程團隊將他們的設備暴露在一個太陽下1900小時時，電池保持了其初始效率的94%。他們在高達65°C的溫度下，將日照增加到27個太陽。根據(jù)他們的實驗，研究人員推斷，30年后太陽能電池將保持80%的效率。（傳統(tǒng)硅電池的壽命預計在25至30年之間。）

Li說，密歇根州的研究小組已經(jīng)開發(fā)出一個15平方厘米的“迷你”太陽能窗，以測試保護層和緩沖層是否能防止材料在更大范圍內(nèi)降解。挑戰(zhàn)在于，有源太陽能電池層越大，出現(xiàn)缺陷的機會就越大?！拔覀冃枰菔救绾涡纬梢粋€均勻場，”他說。

IDTechEx分析師He表示，除了實際的太陽能電池之外，還有許多其他因素可以決定太陽能窗戶的工作情況，以及它是否能夠產(chǎn)生足夠的電力，以證明建筑開發(fā)商或運營商的額外費用是合理的。建筑物的地理位置、當?shù)靥柲苜Y源的數(shù)量、窗戶的角度、建筑物的高度及其總體設計都會顯著影響太陽能裝置的性能。

“當我們看到技術進步時，我們總是非常激動，”她說。“但是，從實驗室到大規(guī)模商業(yè)應用的實際采用，通常還需要考慮很多因素和運氣?！?