導讀
據韓國仁川大學官網近日報導，該校研究人員將「二氧化鈦」和「氧化鎳」這兩種半導體結合起來形成異質結，創造出一款高效透明的太陽能電池。
背景前不久的2020年12月12日是《巴黎氣候協定》達成5周年紀念日。這份協定的主要目標是要將本世紀全球平均氣溫上升幅度控制在2攝氏度以內。全球氣候變暖是全人類面臨的重大而持續的挑戰，溫室氣體排放是導致氣候變暖的重要原因。如今，世界各國都在攜手朝著「零碳排放」這一未來目標努力前進。為了實現這一目標，關鍵在於減少直至擺脫對於礦物燃料的依賴。這些礦物燃料（例如煤和石油）屬於不可再生資源，礦物燃料燃燒後會產生大量有害氣體和溫室氣體，不僅會汙染環境，還會造成溫室效應。
（圖片來源：維基百科）
為此，人類正在開發既有創新性又有經濟效益的可再生能源技術，例如太陽能、水能、風能、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能、地熱能等。它們可以循環再生，取之不盡，用之不竭，而且清潔環保。
日本衝繩科學技術大學院大學（OIST）的研究團隊研發出一種新型渦輪機，利用海洋中的海浪作為清潔、廉價、可持續的能源。（圖片來源：OIST）
風力發電場（圖片來源：維基百科）
在所有這些可再生能源中，太陽能一直是科學界最抱有希望的。太陽能具有清潔、可再生、易獲取、低成本、環境友好等優勢。然而，太陽能發電量佔全球總發電量的比重還很低。由此可見，太陽能尚未得到充分應用，潛力十分巨大。
（圖片來源：維基百科）
近幾十年來，太陽能電池變得越來越便宜、高效、環境友好。然而，目前的太陽能電池大多數是不透明的。這一點阻礙了太陽能電池更為廣泛地應用和集成到日常材料中，只能應用在屋頂以及偏遠的太陽能農場。
（圖片來源：維基百科）
然而，新一代的太陽能電池卻能和窗戶、建築、汽車、手機屏幕以及其他日常產品集成在一起。舉例來說，美國麻省理工學院開發的柔性、透明的有機太陽能電池，結合了低成本的有機材料與柔性透明的石墨烯電極。未來，這種太陽能電池將有望安裝到任何物體的表面。
（圖片來源：MIT）
再例如，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員開發出一種太陽鏡，其鏡片上具有一種彩色半透明的太陽能電池，這種太陽能電池能為一個微處理器和兩個顯示器供電。這項新技術為未來其他的應用，例如將有機太陽能電池集成到窗戶或者天窗玻璃上，鋪平了道路。
（圖片來源：KIT）
還有一個例子，美國密西根州立大學科學家們開發出一種可安裝在窗戶上的透明太陽能材料，與安裝在屋頂的太陽能系統採集到的太陽能同樣多。這種高度透明的太陽能材料，配合傳統屋頂太陽能系統，幾乎可以滿足全美國的電力需求，從而大幅度降低礦物燃料的使用。這種類似塑料的薄材料可以用於建築物、汽車窗戶、手機和其他具有透明表面的設備。
（圖片來源：Richard Lunt / 密西根州立大學）
創新
然而，韓國仁川大學電氣工程系教授金俊棟（Joondong Kim）也在朝著新一代透明太陽能電池的目標努力。
近日，他和他的同事們開發出一款完全透明的太陽能電池，並將這項最新發明發表在《Journal of Power Sources》雜誌上。金教授表示：「透明光伏電池的特點使它在人類技術中有著廣泛的應用。」
（圖片來源：Joondong Kim / 仁川大學）
這項創新技術是基於太陽能電池中一個特殊部分：異質結，由負責吸收光線的薄膜材料組成。研究人員將「二氧化鈦」和「氧化鎳」這兩種半導體結合起來形成異質結，從而創造出這種高效透明的太陽能電池。
技術
目前，讓太陽能電池變得不透明的材料是半導體層，半導體層負責捕捉光線並將它轉化為電流。因此，金教授和他的同事們考慮了兩種潛在的半導體材料，之前的研究人員認為這兩種材料具有理想的特性。第一種是二氧化鈦（TiO2），一種已經廣泛用於製造太陽能電池的著名半導體。除了具有卓越的電氣特性，二氧化鈦也是一種環境友好且無毒的材料。這種材料吸收紫外線（對於裸眼不可見的光譜的一部分），同時讓大部分的可見光通過。用於構造這個結的第二種材料是氧化鎳（NiO），另一種具有高光學透明度的半導體。因為鎳是地球上最充裕的元素之一，而且它的氧化物可以在工業低溫條件下輕易地製造，所以氧化鎳也是一種製造環境友好的電池的良好材料。研究人員製備的太陽能電池由玻璃基底和金屬氧化物電極組成。在其上方，研究人員沉積了半導體層（首先是 TiO2，然後是 NiO）以及最後一層銀納米線塗層，作為電池的另一個電極。他們進行了幾項測試，來評估器件對於光線的吸收率和透射率，以及它作為太陽能電池的功效。價值他們的發現是令人鼓舞的。電池的能量轉換效率達2.1%，性能相當好，因為它只針對光譜中的一小部分進行處理。電池的反應也很靈敏，而且可以工作在低光環境中。進一步地說，逾57%的可見光可以透過電池的各個層，說明電池是透明的。在他們實驗的最後部分，研究人員演示了他們的器件可用於為小型馬達供電。金教授建議：「雖然這個創新型太陽能電池仍處於初級階段，但是我們的成果強烈地表明，通過優化電池的光學與電氣性能，對於透明的光伏電池來說，進一步的改善是可行的。」目前，他們證明了透明太陽能電池的實用性，希望可以在不久的將來進一步提升其效率。只有進一步的研究才能判斷它們是否真的會成為現實，但是總而言之，毫不誇張地說，這項技術都為未來的清潔能源打開了一扇窗。
關鍵詞
太陽能、電池、半導體
參考資料
【1】Thanh Tai Nguyen, Malkeshkumar Patel, Sangho Kim, Rameez Ahmad Mir, Junsin Yi, Vinh-Ai Dao, Joondong Kim. Transparent photovoltaic cells and self-powered photodetectors by TiO2/NiO heterojunction. Journal of Power Sources, 2021; 481: 228865 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228865