近日，北京航空航天大學副教授黃建媚和團隊開發出一種彩色鈣鈦礦太陽能電池，它基于反蛋白石光子晶體物理結構色原理打造而來，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，兼具高效與美學雙功能。

（來源：Advanced Materials）

據介紹，本次研究利用反蛋白石納米結構對可見光的調制作用及其角度依賴的光學特性，成功實現了單一電池器件多種色彩效果的呈現。這種物理結構色不依賴于鈣鈦礦的成分，使得窄帶隙彩色鈣鈦礦太陽能電池成為可能，從而能夠保證較高的光電轉換效率。這種反蛋白石結構還能產生獨特的減反射效果和慢光子效應，從而能夠提高電池器件對光的吸收和利用。

此外，他們還設計了雙向透明電極結構。一方面實現了電池虹彩效果的雙面呈現，拓展了彩色電池應用場景。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。

（來源：Advanced Materials）

宏大的科學設想需要以實際應用來落地和發展，研究團隊開展本次課題的初心在于實現太陽能電池的多功能、多場景應用。在可以預見的未來里，該成果可以在建筑光伏一體化比如光伏幕墻和智能窗戶、交通工具比如汽車天窗、市政設施比如道路護欄等場景得到推廣應用。未來，通過柔性化技術突破，該成果可被進一步拓展用于無人機、飛艇等長航時太陽能航空器，為低空經濟、航空航天領域提供能源、美學與多任務需求的解決方案。

圖 | 黃建媚（來源：黃建媚）

通過物理色原理構建高效率彩色太陽能電池

據了解，傳統的光伏電站大多建立在偏遠的山區、荒漠等地方，而人類的能源消耗集中在城市，遠距離的電力傳輸不僅造成能量損耗，也增加了建設和維護成本。基于此，光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic）系統應運而生，其核心理念在于將光伏發電元件與建筑物實體進行融合，使得建筑物墻面、屋頂、窗戶等轉換為發電裝置，為建筑物提供部分能源供給，實現“開源”。同時，光伏組件將太陽能轉換為電能，進行光管理，可以大大降低建筑物的溫度，減少空調制冷負荷，具有顯著的“節流”效應。

然而，普通太陽能電池單調的色彩難以滿足建筑物的美學設計要求，彩色太陽能電池技術的發展和創新成為光伏建筑一體化應用的關鍵。

一般的彩色鈣鈦礦太陽能電池大多依賴于鈣鈦礦成分誘導的化學色原理，通過調控寬帶隙鈣鈦礦材料的吸光范圍，實現特定的可視化色彩。但是，基于這種化學色原理的太陽能電池由于吸光能力受到限制，導致其光電轉換效率偏低，且只能呈現單一的特定色彩。總的來說，當前彩色太陽能電池仍然面臨光電轉換效率偏低、可視化色彩種類受限等關鍵問題，因此，研究團隊致力于通過物理色原理構建高效率彩色太陽能電池。

（來源：Advanced Materials）

在 15°-45° 不同觀察角度下，呈現出多種色彩

黃建媚表示，大自然是地球幾十億年演變而來的精妙設計師，通過仿生設計人類發明了各種新奇實用的事物，而大自然還有數不盡的神奇和奧秘值得人們去探索和發現。由納米結構產生的絢麗色彩在鳥類、昆蟲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構化的二維光子晶體所產生。這種光子晶體由周期排列的黑色素棒和填充的角蛋白構成，通過改變黑色素棒的間距和層數可以產生不同的色彩效果。

由此，研究團隊設想能否將這種納米結構的光子晶體引入到太陽能電池中，開發基于物理結構色的彩色太陽能電池。經過廣泛的調研，他們發現目前最常見的人工光子晶體是蛋白石和反蛋白石結構，蛋白石結構由六邊形緊密排列的納米小球陣列構成，而反蛋白石結構則由緊密排列的納米孔洞以及間隙填充的固體材料構成，它們的光學性能相似，并具有高度的角度依賴性，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構進行彩色太陽能電池的設計和開發。

黃建媚表示，鈣鈦礦太陽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、背電極五個部分構成，這些功能層的厚度從幾十納米到幾百納米不等。而能夠針對可見光進行調節的光子晶體周期尺寸通常在幾百納米到數微米之間，只有鈣鈦礦吸光層的厚度能夠與這一尺寸相當。

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

在最初的電池結構中，他們使用不透明的金屬銀作為背電極，借此發現銀電極的金屬光澤和不透明屬性會嚴重削弱電池器件的彩色效果，并且僅能從前透明電極一側觀察到微弱的色彩，使得反蛋白石鈣鈦礦薄膜的虹彩效果大打折扣。

鑒于此，他們結合團隊前期在超薄金屬透明電極方面的技術積累，提出采用具有高透明度的超薄金屬作為背電極，設計出了雙向透明電極的彩色太陽能電池新結構。新結構電池能夠展現出雙向的虹彩效果，具有更高的美學價值，能夠適應更加多樣化的使用場景比如用于建筑物窗戶和汽車天窗等，而且能從雙向進行光吸收和利用，從而可以顯著提升受光面積，增強電池器件的功率輸出密度。此外，他們還設計了實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，同時也讓這種彩色電池的實用化潛力得到了充分證明。

（來源：Advanced Materials）

而在制備聚苯乙烯微球蛋白石模板的時候，研究團隊采用了氣-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，然后將其轉移到電池的玻璃基底上。一開始由于經驗不足，他們始終無法獲得大面積連續的微球蛋白石模板，并且聚苯乙烯微球經常沉入水底，使得研究一度陷入僵局。經過一段時間的經驗積累之后，他們針對傳統氣-液-固界面自主裝方法進行優化改進，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用。

反蛋白石納米結構的光學性能具有很強的角度依賴性，這也是其虹彩效果的根源，因此對于角度依賴的反射光譜性能和色彩捕捉非常關鍵。但是，這也大大增加了本研究的操作難度，普通的光譜設備不具備變角度光譜測試能力，經過多方咨詢和海量搜索，他們最終聯系上了能夠滿足測試需求的合作單位，完成了本次研究的一個關鍵數據圖。

最終，相關論文以《反蛋白石光子晶體結構的雙面虹彩高效鈣鈦礦太陽能電池及模組》（Inverse Opal Photonic Crystal Structured Bifacial-Iridescent Efficient Perovskite Solar Cells and Modules）為題發在Advanced Materials[1]。鄒勝文是第一作者，黃建媚擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

下一步研究團隊將繼續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，也會開展部分實用化研究，更加直觀地展示其在建筑光伏、太陽能飛行器等場景下的多功能應用。

參考資料：

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

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