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最新研究：把窗戶變成太陽能電池板
時間:2018-07-30 15:23來源:新民晚報 作者:胡德良
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在美國，住宅樓和辦公樓占耗電量的75%，占整個能源使用量的40%。由于窗戶泄漏能量，因此窗戶是解決問題的重要環(huán)節(jié)。
美國科羅拉多州戈爾市登國家可再生能源實驗室的太陽能專家蘭斯·惠勒說：最近的系列研究成果指向同一個解決方案——把窗戶變成太陽能電池板。過去，材料科學(xué)家已經(jīng)將光吸收薄膜鑲?cè)氩ＡТ爸小５牵@種太陽能窗往往會有紅色或褐色色調(diào)，建筑師們覺得沒有吸引力。然而，新型太陽能窗技術(shù)幾乎只能吸收不可見的紫外線和紅外線，這樣能使玻璃變得清澈透明，同時阻攔通常透過玻璃泄漏過去的紫外和紅外輻射，這些輻射有時產(chǎn)生一些不必要的熱量。惠勒說：通過在發(fā)電的同時減少熱量排放，這種窗戶“有著廣闊的前景”，包括存在這種可能性——大型辦公樓將能夠自行供電。
大多數(shù)太陽能電池，就像在行業(yè)中占主導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)晶體硅電池一樣，為了使其效率最大化而犧牲了透明度。這里的效率是指陽光中的能量轉(zhuǎn)化為電力的百分比。最高質(zhì)量的硅電池效率為25%，而一類被稱為“鈣鈦礦”的不透明太陽能電池材料的效率接近硅電池，最高效率為22%。鈣鈦礦不僅比硅更便宜，而且還可以通過調(diào)整化學(xué)成分的配比使其吸收特定頻段的光線。
不久前，密歇根州立大學(xué)化學(xué)工程師理查德·倫特（Richard Lunt）領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團隊報道說：該團隊對材料進行了調(diào)整，開發(fā)了一種吸收紫外線的鈣鈦礦太陽能窗，效率為0.5%。盡管這種太陽能窗的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最佳性能的鈣鈦礦電池，但是倫特說它足以為另外一種太陽能窗技術(shù)提供電力：一旦需要可以使玻璃變暗，阻攔白天炎熱時段的強烈光線，因而可以減少樓房對空調(diào)的需求。倫特認(rèn)為：在接下來的幾年中，他的團隊會暢通無阻地使太陽能窗達到4%的效率。憑著這樣的效率，這種電池可以為一些樓房的照明和空調(diào)提供電力。
光譜的另一端是紅外光，它比紫外光更加強烈地照射著地球的表面，因此可以產(chǎn)生更多的電能。去年，倫特的團隊在《自然-能源》雜志上報道說：該團隊制造了一種透明的、吸收紫外線和紅外線的電池，效率為5%，利用的是“有機光伏”技術(shù)——一種有機半導(dǎo)體和金屬構(gòu)成的夾層薄膜。倫特稱，未來的系統(tǒng)將捕獲紫外線的鈣鈦礦和捕獲紅外線的有機物結(jié)合起來，能夠達到20%的效率，同時仍可實現(xiàn)幾乎完全透明。
使太陽能窗透明的另一種方法需要依靠所謂的“發(fā)光太陽能聚光器”。這樣的太陽能窗中使用了量子點，這些量子點是微小的半導(dǎo)體顆粒，吸收紫外和紅外頻段的光線，并且以傳統(tǒng)太陽能電池能夠捕獲到的波長重新釋放出來。重新釋放的光線集中起來，通過玻璃側(cè)向分流至鑲嵌在窗框中的條狀太陽能電池中。由于量子點制造起來便宜，而且只需要少量的太陽能材料來捕獲重新釋放出來的光線，這種太陽能窗在價格上有望比較便宜。1月份，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的化學(xué)家維克多·克里莫夫（Victor Klimov）及同事在《自然-光子學(xué)》雜志上報道說：這樣的太陽能窗已經(jīng)達到了3.1%的效率。
加州帕洛阿爾托市斯坦福大學(xué)太陽能窗專家兼鈣鈦礦專家邁克爾·麥吉（Michael McGehee）說：現(xiàn)在還不能不考慮半透明太陽能窗的事情。例如，去年美國能源部給予加州圣巴巴拉市的下一代能源技術(shù)公司250萬美元，用于完善其半透明有機太陽能窗技術(shù)。這家公司的太陽能窗達到了7%的效率，利用的窗戶能夠吸收一半的入射陽光，包括可見光在內(nèi)。跟透明的玻璃相比，可能暗了一些，但是由于吸收整個光譜的光線而不是特定頻段的光線，并沒有呈現(xiàn)出難看的紅色或褐色色調(diào)。身為下一代能源技術(shù)公司顧問的麥吉說：“事實證明，吸收大約所有可見光的一半看起來是很不錯的技術(shù)。”
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