导读
据韩国仁川大学官网近日报道，该校研究人员将“二氧化钛”和“氧化镍”这两种半导体结合起来形成异质结，创造出一款高效透明的太阳能电池。
背景
前不久的2020年12月12日是《巴黎气候协定》达成5周年纪念日。这份协定的主要目标是要将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内。全球气候变暖是全人类面临的重大而持续的挑战，温室气体排放是导致气候变暖的重要原因。
如今，世界各国都在携手朝着“零碳排放”这一未来目标努力前进。为了实现这一目标，关键在于减少直至摆脱对于矿物燃料的依赖。这些矿物燃料（例如煤和石油）属于不可再生资源，矿物燃料燃烧后会产生大量有害气体和温室气体，不仅会污染环境，还会造成温室效应。
（图片来源：维基百科）
为此，人类正在开发既有创新性又有经济效益的可再生能源技术，例如太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等。它们可以循环再生，取之不尽，用之不竭，而且清洁环保。
日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究团队研发出一种新型涡轮机，利用海洋中的海浪作为清洁、廉价、可持续的能源。（图片来源：OIST）
风力发电场（图片来源：维基百科）
在所有这些可再生能源中，太阳能一直是科学界最抱有希望的。太阳能具有清洁、可再生、易获取、低成本、环境友好等优势。然而，太阳能发电量占全球总发电量的比重还很低。由此可见，太阳能尚未得到充分应用，潜力十分巨大。
（图片来源：维基百科）
近几十年来，太阳能电池变得越来越便宜、高效、环境友好。然而，目前的太阳能电池大多数是不透明的。这一点阻碍了太阳能电池更为广泛地应用和集成到日常材料中，只能应用在屋顶以及偏远的太阳能农场。
（图片来源：维基百科）
然而，新一代的太阳能电池却能和窗户、建筑、汽车、手机屏幕以及其他日常产品集成在一起。举例来说，美国麻省理工学院开发的柔性、透明的有机太阳能电池，结合了低成本的有机材料与柔性透明的石墨烯电极。未来，这种太阳能电池将有望安装到任何物体的表面。
（图片来源：MIT）
再例如，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员开发出一种太阳镜，其镜片上具有一种彩色半透明的太阳能电池，这种太阳能电池能为一个微处理器和两个显示器供电。这项新技术为未来其他的应用，例如将有机太阳能电池集成到窗户或者天窗玻璃上，铺平了道路。
（图片来源：KIT）
还有一个例子，美国密西根州立大学科学家们开发出一种可安装在窗户上的透明太阳能材料，与安装在屋顶的太阳能系统采集到的太阳能同样多。这种高度透明的太阳能材料，配合传统屋顶太阳能系统，几乎可以满足全美国的电力需求，从而大幅度降低矿物燃料的使用。这种类似塑料的薄材料可以用于建筑物、汽车窗户、手机和其他具有透明表面的设备。
（图片来源：Richard Lunt / 密西根州立大学）
创新
然而，韩国仁川大学电气工程系教授金俊栋（Joondong Kim）也在朝着新一代透明太阳能电池的目标努力。
近日，他和他的同事们开发出一款完全透明的太阳能电池，并将这项最新发明发表在《Journal of Power Sources》杂志上。金教授表示：“透明光伏电池的特点使它在人类技术中有着广泛的应用。”
（图片来源：Joondong Kim / 仁川大学）
这项创新技术是基于太阳能电池中一个特殊部分：异质结，由负责吸收光线的薄膜材料组成。研究人员将“二氧化钛”和“氧化镍”这两种半导体结合起来形成异质结，从而创造出这种高效透明的太阳能电池。
技术
目前，让太阳能电池变得不透明的材料是半导体层，半导体层负责捕捉光线并将它转化为电流。因此，金教授和他的同事们考虑了两种潜在的半导体材料，之前的研究人员认为这两种材料具有理想的特性。
第一种是二氧化钛（TiO2），一种已经广泛用于制造太阳能电池的著名半导体。除了具有卓越的电气特性，二氧化钛也是一种环境友好且无毒的材料。这种材料吸收紫外线（对于裸眼不可见的光谱的一部分），同时让大部分的可见光通过。用于构造这个结的第二种材料是氧化镍（NiO），另一种具有高光学透明度的半导体。因为镍是地球上最充裕的元素之一，而且它的氧化物可以在工业低温条件下轻易地制造，所以氧化镍也是一种制造环境友好的电池的良好材料。
研究人员制备的太阳能电池由玻璃基底和金属氧化物电极组成。在其上方，研究人员沉积了半导体层（首先是 TiO2，然后是 NiO）以及最后一层银纳米线涂层，作为电池的另一个电极。他们进行了几项测试，来评估器件对于光线的吸收率和透射率，以及它作为太阳能电池的功效。
价值
他们的发现是令人鼓舞的。电池的能量转换效率达2.1%，性能相当好，因为它只针对光谱中的一小部分进行处理。电池的反应也很灵敏，而且可以工作在低光环境中。进一步地说，逾57%的可见光可以透过电池的各个层，说明电池是透明的。在他们实验的最后部分，研究人员演示了他们的器件可用于为小型马达供电。金教授建议：“虽然这个创新型太阳能电池仍处于初级阶段，但是我们的成果强烈地表明，通过优化电池的光学与电气性能，对于透明的光伏电池来说，进一步的改善是可行的。”
目前，他们证明了透明太阳能电池的实用性，希望可以在不久的将来进一步提升其效率。只有进一步的研究才能判断它们是否真的会成为现实，但是总而言之，毫不夸张地说，这项技术都为未来的清洁能源打开了一扇窗。
【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
【2】http://www.inu.ac.kr/user/boardList.do?command=view&page=1&boardId=555310&boardSeq=606869&id=inueng_050700000000&NewIpsi=&NewEng=&NewComm=&categoryDepth=0005
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