太阳能电池新作：利用窗户来发电

诸平

据美国化学会主办的ACS Nano杂志网站2013年12月10日发表的研究报告称，英国牛津大学物理系和数学系的研究人员合作，已经研制出中性色半透明微结构钙钛矿（perovskites）阵列的太阳能电池，该太阳能电池是由新型复合钙钛矿晶体小岛薄膜构成，具有光电转化效率高和半透明的特征。图1（Fig. 1）就是一种在玻璃上旋涂钙钛矿形成的薄膜太阳能电池，看上去呈现出浅灰色，而且是透明的。这种将采光与太阳能发电融为一体的新型太阳能电池，有望成为高楼大厦外层装饰、车辆挡风玻璃等的替代品，除了传统使用玻璃的功能之外，有增加了光电转化功能，这无疑对于拓展太阳能电池的更广泛应用意义重大。

Fig.  1 Seeing Clearly

A thin-film solar  cell made by spin-coating a perovskite onto glass appears light gray and  transparent to the eye.

Credit: ACS Nano

办公楼和摩天大楼的绝大部分房地产的窗户都是采集太阳能最有效的区域，如果是由自身重量轻、太阳能转化效率高，而且外观给人以美感的轻量级太阳能电池构成窗户材料，采光完全可以实现一箭双雕之目的，是传统的采光与利用太阳能发电融为一体。这样一种美妙的设计已经由英国牛津大学的研究人员变成了现实，他们的研究成果2013年12月10日已经在美国化学会主办的ACS Nano杂志网站发表——Giles E. Eperon, Victor M. Burlakov, Alain Goriely, Henry J. Snaith. Neutral Color Semitransparent Microstructured Perovskite Solar Cells. ACS Nano, Publication Date (Web): December 10, 2013; DOI: 10.1021/nn4052309.

对于窗户的用途而言,方便采光是其主要功能，但是如果在窗户上安装透明的薄膜式太阳能电池，不仅使原有的采光功能没有受到影响，而且可以利用太阳光来产生足够的能量。有机光伏材料能吸收红外线,透过可见光,但其效率非常低。无机半导体,如非晶硅,虽然对太阳光中的可见光吸收很强,但是用于窗户势必会影响采光。因此,为了不影响窗户的采光功能，太阳能电池薄膜必须非常薄以便透光,减少其对光子的捕获量。但是在实际生活中，向阳一侧的窗户为了避免强光照射，也有不少的建筑物窗户采用褐色或浅红色的玻璃,虽然说这种装饰设计师并不喜欢，但是为了避免强光直射又不得不采取相应措施。

由物理学家亨利·J·斯奈思（Henry J. Snaith）领导的牛津大学研究团队,在他们的太阳能电池中使用钙钛矿,一类象矿石一样的晶体材料,最近引起光伏发电研究人员的高度关注。钙钛矿具有类似于无机半导体的特性，而且显示出超过15%光电转换效率。为了制造钙钛矿的半透明太阳能电池,研究人员采用钙钛矿薄膜的形态控制，以便形成半透明的平面异质结太阳能电池，使其具有中性色和较高的光电转化效率。首先将钙钛矿CH₃NH₃PbI_3-xCl_x沉积在玻璃上形成一种薄膜，再涂上掺氟氧化锡（fluorine-doped tin oxide）。研究人员制备该薄膜是将CH₃NH₄I和PbCl₂混合溶入一种溶剂之中，然后将该溶液旋涂到玻璃上。而溶剂可以选用二甲亚砜（dimethylsulfoxide）等。涂好后将其加热，加热温度范围从90℃到130℃。随着溶液的冷却,经历了一个被称之为去湿的过程; 在玻璃表面会形成液滴,当溶剂蒸发之后，会导致在钙钛矿晶体材料小岛之间留下间隙。这些晶体材料小岛吸收光子并将其转换成电子,而照射到空白区的太阳光就会透过玻璃。最终形成的是一种浅灰色彩的透明太阳能电池。研究人员就是利用自发去湿之优势创建钙钛矿小岛的微结构阵列，其长度足够小足使人用眼睛看上去，就是象连续不断的一样，而且在钙钛矿小岛之间太阳光的透射差异也同样无法觉察出有任何衰减的迹象。

随着此薄膜的透明度增加,光电转化效率也会下降。最透明的太阳能电池,大约有30%的入射光透过,光转换成电能的效率只有3.5%；而透明度最差的薄膜,只有7%的入射光透过，其光电转化效率接近8%。斯奈思谈到,理想的涂饰是让入射光中有大约一半透过，光电转换效率在5%左右。他说他们认为目前的研究结果尚有很多需要进一步改进,而且他们已经成立了一家公司，取名为牛津光伏（Oxford Photovoltaics），积极推进其商业化进程，有望在2017年使其商业化产品投放市场。

斯奈思说下一步工作就是确定材料的稳定性。一个实际的太阳能电池应该可以稳定工作好几年。即使其停止发电,包含电池的窗口应保持它的颜色和透明度至少十年时间稳定不变。此外,该太阳能电池需要透明电极传输电流。而电极最有可能的是在设计的两个标准窗格玻璃之间插入，这些电极材料可能由金属纳米线或旋涂铟锡氧化物构成。

加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）有机电子材料和设备研究组组长杨阳（Yang Yang）教授，对于斯奈思研制的这种新型太阳能电池的评价是“神奇的技术（fantastictechnology）”，因为杨阳教授一直在追求适宜于窗口使用的透明太阳能电池,他说就钙钛矿的商业化而言，仍有许多挑战,如使用铅和电池对湿度的敏感性等都需要进行深入研究。但他发现这些材料具有良好的发展前景：“在太阳能电池技术中，其光电转化效率的快速发展是史无前例的。”