近乎隐形的超薄太阳能电池，可将窗户变成发电机

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想象一下，一辆汽车停在阳光下，车窗和天窗就能帮助电池充电；或者一副智能眼镜，镜片可以收集光能为内置电子设备供电。

新加坡南洋理工大学（NTU）的科学家们开发出一种新型超薄透明太阳能电池，这些应用有望成为现实。在副教授安娜丽莎·布鲁诺（Annalisa Bruno）的带领下，南洋理工大学的研究人员研发出一种钙钛矿太阳能电池，其厚度比一根头发丝薄约1万倍，比传统钙钛矿太阳能电池薄约50倍。尽管如此纤薄，这种器件却实现了迄今为止报道的超薄钙钛矿太阳能电池中最高的功率转换效率。他们的研究成果近期发表在《ACS能源快报》（ACS Energy Letters）上，有望推动太阳能电池集成到建筑物、车辆和可穿戴设备中，且不会显著改变其外观。由于这种新型太阳能电池具有半透明和中性颜色，因此可以将其应用于窗户和外立面，而不会显著改变建筑物的外观。“建筑环境约占全球能源消耗的40%，因此，能够将建筑表面无缝转化为发电资产的技术变得日益迫切，”南洋理工大学物理与数学科学学院和材料科学与工程学院的布鲁诺副教授表示。“我们的钙钛矿太阳能电池具有显著优势，因为它们可以在相对较低的温度下通过简单的工艺制造。它们还可以被调节以吸收特定波长的光，同时保持透明，并且有可能扩展到大面积区域，从而减少碳排放，”布鲁诺教授补充道。她在南洋理工大学能源研究所（ERI@N）开展了这些实验，同时也是该研究所可再生能源与低碳解决方案和储能集群的主任。与传统的硅太阳能电池不同，这些基于钙钛矿的器件即使在间接阳光和漫射光条件下也能发电。这使其特别适合新加坡的城市环境，因为在新加坡，垂直的建筑表面和频繁的云层覆盖常常限制了阳光的直接照射。例如，如果这项技术在保持类似性能的前提下进行规模化应用，大型玻璃幕墙就可以改造成太阳能发电的活性表面。初步估算表明，在大型玻璃幕墙建筑（例如莱佛士坊或滨海湾的办公大楼）上部署这项技术，理论上每年可以产生数百兆瓦时的电力。

根据可用玻璃面积和建筑朝向，这种发电量相当于约100套四房式组屋的年用电量。

制造近乎隐形的太阳能电池：

钙钛矿太阳能电池由多层结构组成，其中包括吸收太阳光并将其转化为电能的半导体层。

为了制造这种超薄电池，南洋理工大学的研究团队采用了一种名为热蒸发的工业兼容方法。在该过程中，原料在真空室中被加热直至蒸发。蒸发的蒸汽随后沉积在表面上，形成薄膜。

这种方法能够在大面积上沉积非常薄且均匀的钙钛矿层。它还避免了使用有毒溶剂，并有助于减少太阳能电池中的缺陷，从而提高其光电转换能力。

通过调整工艺，研究人员能够控制钙钛矿层的厚度，并制造出不透明和半透明的器件。

该团队认为，这是首次完全使用真空工艺制造出超薄钙钛矿太阳能电池。这可能使该技术未来更适用于大规模工业生产。

利用该技术，研究人员制备出了厚度低至10纳米的超薄钙钛矿吸收层，同时保持了太阳能电池的有效性能。

在不透明器件中，钙钛矿层厚度分别为10纳米、30纳米和60纳米时，电池的功率转换效率分别约为7%、11%和12%。

一种半透明电池，其钙钛矿层厚度为60纳米，允许约41%的可见光透过，同时将太阳光转化为电能的效率为7.6%。

研究人员表示，这是目前报道的采用类似材料制成的半透明钙钛矿太阳能电池的最佳性能之一。

这种电池既能让日光透过，又能产生可观的电能，这对于太阳能窗、玻璃幕墙和有色建筑表面等应用至关重要。

论文第一作者卢克·怀特博士（曾就读于南洋理工大学能源研究所、物理与数学科学学院以及材料科学与工程学院）表示：“通过精确控制热蒸发，我们可以调节太阳能电池的透明度。这为可持续建筑开辟了新的可能性，例如可以发电的着色玻璃窗。”剑桥大学化学工程与生物技术系能源材料与光电子学教授萨姆·斯特兰克斯

独立评论道：“这种方法能够高度控制薄膜的厚度和均匀性，这对于半透明太阳能电池向更大面积应用至关重要。”他补充道：“半透明钙钛矿太阳能电池为从难以使用传统硅面板的表面（例如窗户、外墙和轻型电子产品）收集能量提供了一种令人兴奋的途径。本文报道的结果表明，在超薄器件中，透明度和发电量之间实现了良好的平衡，而下一步的关键测试将是长期稳定性、耐久性和在更大面积上的性能。” 布鲁诺教授是钙钛矿太阳能电池领域的先驱，致力于为可持续城市提供动力。她早期对热蒸发钙钛矿太阳能电池的研究成果已实现规模化生产，推动了钙钛矿太阳能电池领域的发展，并为产业应用铺平了道路。她的创新成果得到了南洋理工大学创新与创业计划的支持，该计划旨在帮助研究团队加速将实验室中的创新理念转化为商业产品。她已通过南洋理工大学的创新与创业公司NTUitive申请了一项新型超薄钙钛矿薄膜结构的专利。