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(tuán)隊(duì)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(jī)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(jìn)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诖私柚夥柲茈姵氐膮R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(diǎn)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(dá)您的眼睛。這就是為什么以前的透明太陽能電池實(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(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(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(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(xì)觀察，您會在材料塊的邊緣看到幾個黑條。但是，活性有機(jī)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(rèn)為一旦開始生產(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(jī)或平板電腦無限期運(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(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?yàn)榇怪备叨韧ǔ１任蓓數(shù)囊螅绕涫菍τ诓Ａ粔ㄖＲ虼耍诓桓慕ㄖO(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(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)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(jī)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(hù)。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(dá)到20年，甚至更長。”布洛維奇先生說，先前為延長與有機(jī)太陽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?yàn)槌Ｒ?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(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(tuán)隊(duì)成員包括趙一木，本杰明·萊文和加勒特·米克。