半透明的太陽能電池，讓窗戶替你發電？

2018 年 04 月 24 日

數百年來，窗戶在生活中隨處可見。使我們的家園和工作場所充滿明亮的光線。但如果它們也能發電呢？如果你的窗戶可以幫你的手機充電，甚至煮沸你水壺裡的水？

太陽為地球提供了源源不絕的能量，太陽能窗戶將是利用太陽能一個很好的方式。而近期，澳洲新南威爾斯大學的研究團隊利用新的有機材料，研發出兼具演色性又能吸收紅外線太陽能的半透明太陽能電池！

隨著環保意識的抬頭，各國對於再生能源的需求日益增加。以太陽能為例，矽太陽能電池已經在屋頂市場佔據領導地位，這可歸因於其越來越便宜和高效的發電方式。雖然利用屋頂放置太陽能板發電這個想法的確不錯，但這些矽板不透明且體積龐大，無法應用於窗戶等平面物體。為了設計適合用於窗戶的太陽能電池，我們必須有更創新的想法。

半透明的太陽能電池

當我們將太陽能板放置於屋頂上時，我們希望它能盡可能吸收多一點的陽光，以最大的產能功率。但對於窗戶的相關應用來說，在吸收光線轉換成電力和透射光線之間不可避免地必須有所取捨，我們才能透過窗戶看到外面的世界。因此，科學家們一直試圖在發電和平均可見光穿透率（AVT）之間尋找能達到雙贏的方法。

一般我們認為，太陽能窗戶至少需具備 25% 的 AVT。但是僅吸收四分之三的光線並沒辦法使太陽能電池產生大量的電流，這也是為什麼半透明電池的發電效率迄今為止仍然很低的原因。

但請注意，電力的多寡取決於兩個因素：電流和電壓。新南威爾斯大學的研究團隊決定專注於提高電壓，於是他們仔細選擇了新的有機材料，這些材料已被證明可在非透明電池中產生高電壓。

發電效率與演色性

那如果窗戶是由這些由新材料所組成的半透明電池所構成，窗戶又會是什麼樣子呢？

如果你的朋友穿著紅色襯衫，當你透過一個一般的窗戶看他時，他的襯衫應該是紅色的，因為玻璃窗是透明的。

但是因為半透明太陽能電池吸收了我們所能看到的一些光線，所以我們需要更仔細地考慮其演色性。我們可以藉由計算所謂的演色性指數（color rendering index，CRI 是一種描述光源忠實呈現物體顏色能力的量值。光源的演色性越高，其顏色表現就越接近理想光源或自然光）來測量細胞如何準確地呈現圖像。新南威爾斯大學研究團隊的調查顯示，改變吸收層的厚度不僅會影響電池所產生的電能，還會改變其準確表現顏色的能力。

研究團隊也發現：若是將現有的有機吸收材料（太陽能電池按照其製作材料可分為：矽基半導體電池、CdTe 薄膜電池、CIGS 薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等）替換成吸收可見光範圍外之太陽能的材料，可以產生極高的演色性指數。這意味著這些電池在人們的眼中將會看起來和一般玻璃相同，因為它們所吸收的光的波長介於人們所不可見的紅外線範圍內。

然而，這也限制了電池的發電效率，因為避免吸收可見光將使其無法有效地將太陽能轉化為電力（從太陽光的光譜分佈我們可以得知：46 %為可見光、49 %為紅外光、5 %是紫外光。若是能使其吸收大部分、甚至是全部的太陽光，那麼太陽能電池的效率將可以大大的提高）。