透明的硅片 未來的光伏？

:說到太陽能電池，我們第一個想到的可能就是搭在建筑物樓頂、黑乎乎的硅基太陽能電池板。如今，太陽能已成為新能源的主力軍并廣泛應用，如果未來的建筑，從表面到窗戶，都能利用太陽能發(fā)電，這不但有利于節(jié)能減排，說不定還可以利用多余的發(fā)電量掙錢呢。

（來源：微信公眾號“X一MOL資訊”ID：X-molNews）

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。雖然屋頂發(fā)電潛力巨大，但建筑物其他表面（墻板、窗戶等）利用率極低，發(fā)電量無法滿足人們的用電需求。由于我們所熟知的硅基太陽能電池板的關鍵材料晶體硅不透明，目前讓建筑物“全身”都發(fā)電是不可能的，畢竟我們誰也不愿意住在一個黑乎乎的“發(fā)電機”里。那么，有沒有透明的太陽能電池呢？答案是有的，這就是近幾年熱門的透明光伏技術（Transparent Photovoltaics，TPV）。

透明光伏系統(tǒng)。圖片來源：Nat. Energy[1]

目前，TPV技術主要分為非波長選擇性和波長選擇性兩類，前者通過分割不透明的光伏電池或使用足夠薄或低濃度的光活性材料，而后者采用優(yōu)先捕獲紫外和近紅外光的光活性材料，同時選擇性地透過可見光。聽起來完美了？No！

“透明”和“高效率”對于光伏器件就像是“魚與熊掌”，總是不可得兼。透明光伏器件的能量轉換效率（power conversion efficiency，PCE）比傳統(tǒng)光伏器件要低得多，這種高成本低收益的產品肯定不是我們追求的目標。

透明光伏的PCE與平均可見光透過率（ACT）。圖片來源：Nat. Energy[1]

那怎么辦呢？能不能讓PCE較高的晶體硅材料變成透明的？近日，韓國國立蔚山科學技術院（UNIST）Kwanyong Seo和高麗大學Seungwoo Lee等研究者又把視線轉回到晶體硅上。他們開發(fā)出了一種厚度為200 μm的透明晶體硅基片，可以實現(xiàn)良好的光透過率。用這種硅片制作的太陽能電池，PCE高達12.2%。

為了讓硅片變成透明的，研究者的策略是在硅片打上微孔陣列，使可見光透過，同時，人眼的視覺分辨率又無法察覺這些微孔的存在。于是，我們看到的硅片便是“透明”的了。道理很簡單，問題也來了，每個孔應該打多大，孔間距又是多少呢？

透明硅片。圖片來源：Joule

研究者以500 nm光波入射，模擬了孔徑從500 nm到100 μm時，光波的衍射行為。結果發(fā)現(xiàn)，當孔徑大于90 μm時，就可以避免衍射及結構色的產生。人們的視覺分辨角為1/60度，通過計算，當孔間距小于1.75 mm時，人們在30 cm遠以外，就無法分辨孔的排列，只能看到透過硅片的光。

透明硅片的系統(tǒng)透過率控制。圖片來源：Joule

隨后，研究者利用透明硅片制備了光伏器件，測試其能量轉換效率。當硅片填充率為80%時，材料透光率20%，其能量轉換效率可達12.2%，這一性能在報道的“中性色”太陽能電池和半透明太陽能電池中已非常優(yōu)異，甚至遙遙領先。當硅片填充率為50%時，材料透光率50%，其能量轉換效率也可達7.4%。

基于透明硅片的1 cm2太陽能電池及光伏性能測試。圖片來源：Joule

讓硅片變成透明或許是一個有些“瘋狂”的想法，然而，“我們認為，晶體硅是開發(fā)高效率、高穩(wěn)定性、中性色透明的太陽能電池的最佳材料”，Kwanyong Seo說，“更是將窗戶變成太陽能電池板的理想選擇”[2]。除此以外，這種透明硅片光伏器件，或許也能作為移動電子設備、電動汽車等的能量來源。

原標題:透明的硅片，未來的光伏？