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透明的硅片,未来的光伏?

说到太阳能电池,我们第一个想到的可能就是搭在建筑物楼顶、黑乎乎的硅基太阳能电池板。如今,太阳能已成为新能源的主力军并广泛应用,如果未来的建筑,从表面到窗户,都能利用太阳能发电,这不但有利于节能减排,说不定还可以利用多余的发电量挣钱呢。

图片来源于网络


理想很丰满,现实很骨感。虽然屋顶发电潜力巨大,但建筑物其他表面(墙板、窗户等)利用率极低,发电量无法满足人们的用电需求。由于我们所熟知的硅基太阳能电池板的关键材料晶体硅不透明,目前让建筑物“全身”都发电是不可能的,毕竟我们谁也不愿意住在一个黑乎乎的“发电机”里。那么,有没有透明的太阳能电池呢?答案是有的,这就是近几年热门的透明光伏技术(Transparent Photovoltaics,TPV)。

透明光伏系统。图片来源:Nat. Energy [1]


目前,TPV技术主要分为非波长选择性和波长选择性两类,前者通过分割不透明的光伏电池或使用足够薄或低浓度的光活性材料,而后者采用优先捕获紫外和近红外光的光活性材料,同时选择性地透过可见光。听起来完美了?No!


“透明”和“高效率”对于光伏器件就像是“鱼与熊掌”,总是不可得兼。透明光伏器件的能量转换效率(power conversion efficiency,PCE)比传统光伏器件要低得多,这种高成本低收益的产品肯定不是我们追求的目标。

透明光伏的PCE与平均可见光透过率(ACT)。图片来源:Nat. Energy [1]


那怎么办呢?能不能让PCE较高的晶体硅材料变成透明的?近日,韩国国立蔚山科学技术院(UNIST)Kwanyong Seo高丽大学Seungwoo Lee等研究者又把视线转回到晶体硅上。他们开发出了一种厚度为200 μm的透明晶体硅基片,可以实现良好的光透过率。用这种硅片制作的太阳能电池,PCE高达12.2%。

图片来源:Joule


为了让硅片变成透明的,研究者的策略是在硅片打上微孔阵列,使可见光透过,同时,人眼的视觉分辨率又无法察觉这些微孔的存在。于是,我们看到的硅片便是“透明”的了。道理很简单,问题也来了,每个孔应该打多大,孔间距又是多少呢?

透明硅片。图片来源:Joule


研究者以500 nm光波入射,模拟了孔径从500 nm到100 μm时,光波的衍射行为。结果发现,当孔径大于90 μm时,就可以避免衍射及结构色的产生。人们的视觉分辨角为1/60度,通过计算,当孔间距小于1.75 mm时,人们在30 cm远以外,就无法分辨孔的排列,只能看到透过硅片的光。

透明硅片的系统透过率控制。图片来源:Joule


随后,研究者利用透明硅片制备了光伏器件,测试其能量转换效率。当硅片填充率为80%时,材料透光率20%,其能量转换效率可达12.2%,这一性能在报道的“中性色”太阳能电池和半透明太阳能电池中已非常优异,甚至遥遥领先。当硅片填充率为50%时,材料透光率50%,其能量转换效率也可达7.4%。

基于透明硅片的1 cm2太阳能电池及光伏性能测试。图片来源:Joule


让硅片变成透明或许是一个有些“疯狂”的想法,然而,“我们认为,晶体硅是开发高效率、高稳定性、中性色透明的太阳能电池的最佳材料”,Kwanyong Seo说,“更是将窗户变成太阳能电池板的理想选择”[2]。除此以外,这种透明硅片光伏器件,或许也能作为移动电子设备、电动汽车等的能量来源。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Neutral-Colored Transparent Crystalline Silicon Photovoltaics

Kangmin Lee, Namwoo Kim, Kwangjin Kim, Han-Don Um, Wonjoo Jin, Deokjae Choi, Jeonghwan Park, Kyung Jin Park, Seungwoo Lee, Kwanyong Seo

Joule, 2020, 4, 235-246, DOI: 10.1016/j.joule.2019.11.008


参考文献:

1. Traverse C. J., Pandey R., Barr M. C., et al. Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications. Nat. Energy, 2017, 2: 849–860. DOI: 10.1038/s41560-017-0016-9

https://www.nature.com/articles/s41560-017-0016-9

2. Punching holes in opaque solar cells turns them transparent

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/cp-phi120519.php


(本文由小希供稿)


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