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(shù)在主流應(yīng)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(xué)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(shè)計可以在高達(dá)30年的效率下工作，與傳統(tǒng)硅太陽能電池板的預(yù)期壽命大致相當(dāng)?，F(xiàn)在，該團隊正在努力縮放他們的斑點大小的設(shè)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(xué)的助理研究科學(xué)家Yongxi Li和《自然通訊》論文的第一作者預(yù)測道，“如果所有的建筑都有這種透明設(shè)備，他們就可以自己供電了?！?

據(jù)Freedonia Group預(yù)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(yù)計將達(dá)到119億平方米。

英國劍橋IDTechEx的技術(shù)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(jìn)實驗室技術(shù)到制造設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(jì)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(dāng)暴露在相當(dāng)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(shè)計了一套解決方案。該團隊包括羅利北卡羅來納州立大學(xué)、天津大學(xué)和浙江大學(xué)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(cè)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)光譜中，一個太陽照度定義為100毫瓦/平方厘米的輻照度。

當(dāng)工程團隊將他們的設(shè)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(dá)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(yù)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(dāng)?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(shè)計都會顯著影響太陽能裝置的性能。

“當(dāng)我們看到技術(shù)進(jìn)步時，我們總是非常激動，”她說?！暗牵瑥膶嶒炇业酱笠?guī)模商業(yè)應(yīng)用的實際采用，通常還需要考慮很多因素和運氣?！?