工程师设计出半透明太阳能屋顶为温室收集能量 植物比传统温室生长更好

随着全球各国寻求可持续能源以及美国努力在 2050 年之前成为净零排放经济体，太阳能电池板等可再生能源的需求量很大。 然而，太阳能电池板会占用大量空间并且通常难以扩展。进入农业光伏新领域，专注于太阳能发电和农业同时利用土地。例如，用太阳能电池板代替温室中的玻璃可以为温室甚至整个农场的灯和水控制装置供电。但是，如何制造既能从阳光中吸收能量又不会阻挡植物所需光线的太阳能电池板呢？

UCLA Samueli 工程学院的材料科学家 Yang Yang 和他的团队设计了这样一种装置。在今天发表在Nature Sustainability上的一项研究中，他们探索了一种不需要大片土地的太阳能电池的新的、可行的应用。

该团队制定了增强半透明有机太阳能电池的策略。这些电池依赖于碳基材料，而不是传统设备中的无机物质。研究人员加入了一层名为 L-谷胱甘肽的天然化学物质，该物质作为抗氧化膳食补充剂在柜台出售，发现这种添加物延长了太阳能电池的寿命，提高了它们的效率，并且仍然允许充足的阳光照射在一个小玩具屋大小的温室原型中种植植物。

“有机材料因其光吸收选择性而特别适用于农业光伏，”杨说，他还担任生物工程系教职，并担任加州大学洛杉矶分校的 Carol 和 Lawrence E. Tannas Jr. 工程学主席。“到目前为止，阻碍它们广泛使用的主要缺点是它们缺乏稳定性。”

有机太阳能电池往往比无机太阳能电池退化得更快，因为阳光会导致有机材料氧化，从而失去电子。研究人员发现，额外的 L-谷胱甘肽层可防止太阳能电池中的其他材料氧化，从而使有机电池在连续使用 1,000 小时后仍能保持 80% 以上的效率，而如果不使用则低于 20%添加的图层。

研究小组还在两个独立的示范中追踪了小麦、绿豆和西兰花等常见作物的生长情况。一个有一个透明的玻璃屋顶，上面有一些无机太阳能电池，另一个有一个完全由半透明的有机太阳能电池制成的屋顶。有机太阳能屋顶温室中的作物比普通温室中的作物生长得更多。科学家们认为，这是因为 L-谷胱甘肽层阻挡了会抑制植物生长的紫外线和会导致温室过热以及室内植物需要更多水分的红外线。

“我们没想到有机太阳能电池的性能会优于传统的玻璃屋顶温室，”该研究的主要作者、杨实验室的加州大学洛杉矶分校博士后赵叶品说。“但我们多次重复实验，结果都一样，经过进一步研究分析，我们发现植物的生长并不像我们原先想象的那么多。事实上，过多的阳光照射会造成更大的伤害不太好，尤其是在像加利福尼亚这样阳光充足的气候下。”

在这些发现之后，该团队在加州大学洛杉矶分校成立了一家初创公司，旨在扩大工业用有机太阳能电池的生产规模。研究人员表示，他们希望在未来制造出包含有机太阳能电池的环保温室。