張嘉秋

近日，北京航空航天大學(xué)副教授黃建媚和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種彩色鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，它基于反蛋白石光子晶體物理結(jié)構(gòu)色原理打造而來(lái)，具有鮮艷的虹彩效果，并刷新了彩色電池效率最高世界記錄，兼具高效與美學(xué)雙功能。

（來(lái)源：AdvancedMaterials）

據(jù)介紹，本次研究利用反蛋白石納米結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光的調(diào)制作用及其角度依賴(lài)的光學(xué)特性，成功實(shí)現(xiàn)了單一電池器件多種色彩效果的呈現(xiàn)。這種物理結(jié)構(gòu)色不依賴(lài)于鈣鈦礦的成分，使得窄帶隙彩色鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成為可能，從而能夠保證較高的光電轉(zhuǎn)換效率。這種反蛋白石結(jié)構(gòu)還能產(chǎn)生獨(dú)特的減反射效果和慢光子效應(yīng)，從而能夠提高電池器件對(duì)光的吸收和利用。

此外，他們還設(shè)計(jì)了雙向透明電極結(jié)構(gòu)。一方面實(shí)現(xiàn)了電池虹彩效果的雙面呈現(xiàn)，拓展了彩色電池應(yīng)用場(chǎng)景。另一方面拓展了電池的光吸收面積，提高了電池器件的功率輸出密度。

（來(lái)源：AdvancedMaterials）

宏大的科學(xué)設(shè)想需要以實(shí)際應(yīng)用來(lái)落地和發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展本次課題的初心在于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的多功能、多場(chǎng)景應(yīng)用。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里，該成果可以在建筑光伏一體化比如光伏幕墻和智能窗戶(hù)、交通工具比如汽車(chē)天窗、市政設(shè)施比如道路護(hù)欄等場(chǎng)景得到推廣應(yīng)用。未來(lái)，通過(guò)柔性化技術(shù)突破，該成果可被進(jìn)一步拓展用于無(wú)人機(jī)、飛艇等長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能航空器，為低空經(jīng)濟(jì)、航空航天領(lǐng)域提供能源、美學(xué)與多任務(wù)需求的解決方案。

圖|黃建媚（來(lái)源：黃建媚）

通過(guò)物理色原理構(gòu)建高效率彩色太陽(yáng)能電池

據(jù)了解，傳統(tǒng)的光伏電站大多建立在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、荒漠等地方，而人類(lèi)的能源消耗集中在城市，遠(yuǎn)距離的電力傳輸不僅造成能量損耗，也增加了建設(shè)和維護(hù)成本。基于此，光伏建筑一體化（BIPV，BuildingIntegratedPhotovoltaic）系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其核心理念在于將光伏發(fā)電元件與建筑物實(shí)體進(jìn)行融合，使得建筑物墻面、屋頂、窗戶(hù)等轉(zhuǎn)換為發(fā)電裝置，為建筑物提供部分能源供給，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)源”。同時(shí)，光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)行光管理，可以大大降低建筑物的溫度，減少空調(diào)制冷負(fù)荷，具有顯著的“節(jié)流”效應(yīng)。

然而，普通太陽(yáng)能電池單調(diào)的色彩難以滿(mǎn)足建筑物的美學(xué)設(shè)計(jì)要求，彩色太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新成為光伏建筑一體化應(yīng)用的關(guān)鍵。

一般的彩色鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大多依賴(lài)于鈣鈦礦成分誘導(dǎo)的化學(xué)色原理，通過(guò)調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦材料的吸光范圍，實(shí)現(xiàn)特定的可視化色彩。但是，基于這種化學(xué)色原理的太陽(yáng)能電池由于吸光能力受到限制，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率偏低，且只能呈現(xiàn)單一的特定色彩。總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前彩色太陽(yáng)能電池仍然面臨光電轉(zhuǎn)換效率偏低、可視化色彩種類(lèi)受限等關(guān)鍵問(wèn)題，因此，研究團(tuán)隊(duì)致力于通過(guò)物理色原理構(gòu)建高效率彩色太陽(yáng)能電池。

（來(lái)源：AdvancedMaterials）

在15°-45°不同觀察角度下，呈現(xiàn)出多種色彩

黃建媚表示，大自然是地球幾十億年演變而來(lái)的精妙設(shè)計(jì)師，通過(guò)仿生設(shè)計(jì)人類(lèi)發(fā)明了各種新奇實(shí)用的事物，而大自然還有數(shù)不盡的神奇和奧秘值得人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。由納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的絢麗色彩在鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)等生物中有著廣泛存在，比如孔雀羽毛的鮮艷色彩就是由其中的周期性納米結(jié)構(gòu)化的二維光子晶體所產(chǎn)生。這種光子晶體由周期排列的黑色素棒和填充的角蛋白構(gòu)成，通過(guò)改變黑色素棒的間距和層數(shù)可以產(chǎn)生不同的色彩效果。

由此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想能否將這種納米結(jié)構(gòu)的光子晶體引入到太陽(yáng)能電池中，開(kāi)發(fā)基于物理結(jié)構(gòu)色的彩色太陽(yáng)能電池。經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)目前最常見(jiàn)的人工光子晶體是蛋白石和反蛋白石結(jié)構(gòu)，蛋白石結(jié)構(gòu)由六邊形緊密排列的納米小球陣列構(gòu)成，而反蛋白石結(jié)構(gòu)則由緊密排列的納米孔洞以及間隙填充的固體材料構(gòu)成，它們的光學(xué)性能相似，并具有高度的角度依賴(lài)性，在不同的光入射角度條件下，可以顯示出差異很大的色彩效果。因此，他們決定采用蛋白石和反蛋白石結(jié)構(gòu)進(jìn)行彩色太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

黃建媚表示，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池通常由前透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、背電極五個(gè)部分構(gòu)成，這些功能層的厚度從幾十納米到幾百納米不等。而能夠針對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行調(diào)節(jié)的光子晶體周期尺寸通常在幾百納米到數(shù)微米之間，只有鈣鈦礦吸光層的厚度能夠與這一尺寸相當(dāng)。

因此，研究團(tuán)隊(duì)提出將鈣鈦礦吸光層進(jìn)行光子晶體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使用聚苯乙烯微球陣列作為蛋白石結(jié)構(gòu)模板，然后通過(guò)溶液旋涂法制備出了具有周期性納米結(jié)構(gòu)的反蛋白石結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜。與設(shè)計(jì)方案預(yù)期一致的是，這種薄膜表現(xiàn)出絢麗的虹彩效果，在15°-45°不同的觀察角度下，呈現(xiàn)出紫色、綠色、黃色等多種色彩。隨后，他們使用這種反蛋白石結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜作為光吸收層，制備出了完整的太陽(yáng)能電池器件，令人驚喜的是，反蛋白石結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜的絢麗色彩和優(yōu)異光學(xué)性能在電池器件尺度得到了完整保留。

在最初的電池結(jié)構(gòu)中，他們使用不透明的金屬銀作為背電極，借此發(fā)現(xiàn)銀電極的金屬光澤和不透明屬性會(huì)嚴(yán)重削弱電池器件的彩色效果，并且僅能從前透明電極一側(cè)觀察到微弱的色彩，使得反蛋白石鈣鈦礦薄膜的虹彩效果大打折扣。

鑒于此，他們結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期在超薄金屬透明電極方面的技術(shù)積累，提出采用具有高透明度的超薄金屬作為背電極，設(shè)計(jì)出了雙向透明電極的彩色太陽(yáng)能電池新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)電池能夠展現(xiàn)出雙向的虹彩效果，具有更高的美學(xué)價(jià)值，能夠適應(yīng)更加多樣化的使用場(chǎng)景比如用于建筑物窗戶(hù)和汽車(chē)天窗等，而且能從雙向進(jìn)行光吸收和利用，從而可以顯著提升受光面積，增強(qiáng)電池器件的功率輸出密度。此外，他們還設(shè)計(jì)了實(shí)用化的彩色電池組件，讓電池的虹彩效果在大面積組件尺度上得到了更加出色的體現(xiàn)，同時(shí)也讓這種彩色電池的實(shí)用化潛力得到了充分證明。

（來(lái)源：AdvancedMaterials）

而在制備聚苯乙烯微球蛋白石模板的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)采用了氣-液-固界面自組裝的方法，使得聚苯乙烯微球在水面形成單層蛋白石光子晶體模板，然后將其轉(zhuǎn)移到電池的玻璃基底上。一開(kāi)始由于經(jīng)驗(yàn)不足，他們始終無(wú)法獲得大面積連續(xù)的微球蛋白石模板，并且聚苯乙烯微球經(jīng)常沉入水底，使得研究一度陷入僵局。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累之后，他們針對(duì)傳統(tǒng)氣-液-固界面自主裝方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終探索出微球蛋白石模板的大面積制備方法，并在電池組件上得到應(yīng)用。

反蛋白石納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能具有很強(qiáng)的角度依賴(lài)性，這也是其虹彩效果的根源，因此對(duì)于角度依賴(lài)的反射光譜性能和色彩捕捉非常關(guān)鍵。但是，這也大大增加了本研究的操作難度，普通的光譜設(shè)備不具備變角度光譜測(cè)試能力，經(jīng)過(guò)多方咨詢(xún)和海量搜索，他們最終聯(lián)系上了能夠滿(mǎn)足測(cè)試需求的合作單位，完成了本次研究的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)圖。

最終，相關(guān)論文以《反蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)的雙面虹彩高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及模組》（InverseOpalPhotonicCrystalStructuredBifacial-IridescentEfficientPerovskiteSolarCellsandModules）為題發(fā)在AdvancedMaterials[1]。鄒勝文是第一作者，黃建媚擔(dān)任通訊作者。

圖|相關(guān)論文（來(lái)源：AdvancedMaterials）

下一步研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)拓展彩色電池的效率邊界，提升彩色電池效率和色彩豐富性，也會(huì)開(kāi)展部分實(shí)用化研究，更加直觀地展示其在建筑光伏、太陽(yáng)能飛行器等場(chǎng)景下的多功能應(yīng)用。

參考資料：

1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202420130

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍