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半透明的太陽能電池,讓窗戶替你發電?

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。

一扇給你視野的窗,是否也能成為能量來源呢?source:pixabay

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。

雖然利用屋頂放置太陽能板發電這個想法的確不錯。圖/pixabay

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)。

太陽光的光譜分佈: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。圖/pixabay

透明電極與稀有元素

到目前為止,研究團隊僅進行了小規模的測試,因為在建造大型且高效率的太陽能窗之前,仍然存在幾個障礙,舉例來說,電池所使用的透明電極極為脆弱且含有稀有元素(例如:銦)。

如果科學家能解決這些問題,大規模部署太陽能窗將有助於再生能源的發展。

參考資料:

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