新加坡团队研发半透明超薄钙钛矿太阳能电池 半透明太阳能电池在采光与发电之间取得平衡

 2026年5月20日,正值第27个世界计量日,新加坡南洋理工大学一个由Annalisa Bruno副教授领衔的研究团队交出了一份让全球光伏界瞩目的答卷。该团队成功研发出一种半透明超薄钙钛矿太阳能电池,其厚度仅为人类发丝直径的万分之一,大约相当于传统钙钛矿太阳能电池厚度的五十分之一。相关成果发表于美国化学会旗下的《ACS能源快报》期刊。

 为了制造出如此纤薄的太阳能电池,研究团队采用了工业兼容的热蒸发工艺。这一技术在真空腔室中将源材料加热直至蒸发,蒸发的蒸气随后在衬底表面凝结成极薄的薄膜。通过精确控制蒸发过程,研究人员能够将钙钛矿吸收层的厚度降至10纳米——这个数字比一根头发丝细得多得多。论文第一作者Luke White博士解释说,通过精确控制热蒸发过程,可以灵活调节太阳能电池的透明度,这为可持续建筑的实现提供了新的设计自由度。更重要的是,这一制造方法不使用任何有毒溶剂,有助于减少材料缺陷,并提高光电转换效率。研究团队相信,这是首次完全使用真空工艺来制造超薄钙钛矿太阳能电池,意味着该技术在未来大规模工业化生产方面具有显著的先天优势。

 7.6%效率与41%透明度,采光与发电的巧妙平衡

 半透明太阳能电池面临着一个根本性的两难困境:发电效率和透光率往往成反比。钙钛矿层越厚,捕获光子的能力就越强,发电效率越高,但牺牲的是透明度;层越薄,透光性越好,能吸收的阳光也就越少。如何在这两者之间找到最佳平衡点,是全世界研究者共同追逐的目标。

 新加坡团队给出了一个令人信服的答案。实验数据显示,当钙钛矿层厚度分别为10纳米、30纳米和60纳米时,不透明器件的能量转换效率分别达到了约7%、11%和12%。而在追求半透明效果的设计中,一款60纳米厚度的样品成功实现了高达7.6%的光电转换效率,同时允许大约41%的可见光透过。这一性能水平,被研究人员称为“采用类似材料制备的半透明钙钛矿太阳能电池中性能最高的数据之一”。它不仅创造了一个漂亮的平衡点,更向外界证明,轻薄的半透明太阳能装置已经具备足够的技术可行性。

 英国剑桥大学能源材料与光电子学教授Sam Stranks评价道,这种方法在薄膜厚度和均匀性的控制水平上表现出色,这正是半透明太阳能电池迈向大面积应用的必备条件。他同时提醒,下一步的关键测试将是长期稳定性、耐久性以及更大面积上的性能表现。

 弱光下的“都市捕手”,让玻璃幕墙成为隐形的发电站

 传统硅基太阳能电池板适合铺设在开阔的屋顶或地面,一旦遇到高楼投下的阴影、云层覆盖造成的漫射光条件,发电性能便会大打折扣。新加坡研发的新型钙钛矿电池却展现出截然不同的特性——即便在间接阳光和散射光条件下,它依然能够稳定发电。这使得该技术尤其适合高层建筑密集、直射阳光匮乏的城市环境,比如新加坡滨海湾和莱佛士坊那些由玻璃幕墙构成的天际线。

 研究团队对此进行了初步估算:假设将这项技术规模化部署在一栋大型玻璃幕墙建筑上,比如滨海湾或莱佛士坊的一座写字楼,理论上每年可以产生数百兆瓦时的电力。换算成家庭用电规模,大约相当于100套四房式组屋的全年用电量。这还仅仅是一栋建筑的表现——如果将整座城市的玻璃立面都赋予发电能力,其潜在贡献将相当可观。

 Annalisa Bruno副教授在研究声明中强调,建筑环境约占全球能耗的40%,能够将建筑表面无缝转化为发电资产的技术正变得越来越紧迫。钙钛矿太阳能电池可以在相对较低的温度下通过简单工艺制造,同时可以通过调节吸收光谱实现选择性光吸收而保持透明,具备大面积规模化潜力,有助于降低整体的碳足迹。更为重要的是,钙钛矿材料可灵活调节,既能吸收特定波长的光又同时保持高透明性,这种特性使其成为“发电玻璃”的理想候选者。

 从更宏观的城市能源战略来看,这类能够嵌入玻璃幕墙的隐形光伏技术,为都市提供了一条绕开屋顶空间限制的新路径。它不仅可以把每一扇窗户都变成一台微型发电站,还能保持建筑原有的美观设计不被破坏。在光伏建筑一体化(BIPV)快速发展的当下,半透明、颜色中性、可定制的钙钛矿太阳能电池正迅速成为国际建筑业界最受关注的技术方向。正如专业人士在近期行业论坛上指出的,面对都市有限屋顶面积的制约,传统晶硅板常常受限于重量负荷与视觉遮蔽,而钙钛矿凭借轻薄、半透明、可调色的物理弹性,能够将发电功能完美融入建筑帷幕与遮阳系统。

 从汽车天窗到智能眼镜,无处不在的“隐形”能源界面

 如果说建筑玻璃幕墙是半透明钙钛矿电池最具想象力的应用场景,那么交通领域和可穿戴设备则展现出了同样令人期待的潜力。试想这样一幅画面:一辆停在阳光下的汽车,它的天窗和侧窗在阻挡紫外线的同时悄悄为车载电池充电;一副智能眼镜的镜片,竟也是微型发电单元,利用环境光为内置电子设备供电。这些过去只存在于科幻电影中的场景,正在向现实大步迈进。

 研究团队指出,这类太阳能电池具备半透明且颜色中性的视觉特征,可以直接嵌入建筑窗户和玻璃幕墙中,但它们的应用远不止于此。从穿戴式电子产品到汽车天窗玻璃,这些无处不在的光伏界面正在悄然改变着人们的发电和用电方式。而且,由于钙钛矿器件即使在漫反射和间接光条件下也能稳定工作,其适用场景比想象中更为丰富——即使在阴天、在室内、在玻璃幕墙背阴面的环境下,这块超薄薄膜仍在持续吸收能量。

 目前,南洋理工大学已经通过其创新与企业公司为该技术的超薄钙钛矿薄膜新结构提交了专利申请。研究团队正在与多家行业伙伴进行商业化洽谈,以验证和标准化研究过程中使用的热蒸发工艺流程,并计划在商业部署前进一步提高钙钛矿太阳能电池的长期稳定性、耐久性和大面积性能。从实验室到商业化之间虽然仍有挑战,但通往“发电路面”和“发光穿戴”的大门已经正式打开。

 重塑行业竞争格局,钙钛矿产业的全球冲刺

 新加坡南洋理工大学的这项技术突破,并非孤立存在于学术象牙塔中的火花,而是全球钙钛矿太阳能电池产业大爆发背景下的一个精彩缩影。近年来,钙钛矿光伏技术正处于从研发迈向产业化的重要窗口期,学术界和企业界同步发力,密集推动技术落地。

 在中国,隆基绿能于2026年5月创下晶硅-钙钛矿叠层电池35.1%的实验室效率纪录,大面积组件效率突破34%;协鑫光电的GW级钙钛矿叠层组件产线已经进入小批量量产阶段;通威、天合、东方日升等多家龙头企业同样先后官宣了各自的认证效率突破。在全球范围内,2026年钙钛矿产业的关键词已经不再是“实验室效率”而是“量产落地”,行业正从单个科学家的兴趣探索转向体系化的商业竞速。

 在这一轮技术竞赛中,新加坡团队的半透明超薄路线开辟了一条差异化的赛道。它不追求单一光电转换效率的绝对极限——作为参照,目前不透明叠层电池的世界纪录已超过35%,而半透明器件的7.6%看似不高,但必须结合其透光性、柔性和颜色中性等多维度特性来综合考量。对于窗户、汽车玻璃和可穿戴设备而言,发电能力只是功能要求之一,外观、透光度和重量耐受度同样关键。这是一场面向特定应用场景的“精确制导”,而非一刀切的效率竞赛。

 随着建筑光伏一体化、城市垂直电厂以及柔性电子的兴起,半透明钙钛矿电池找到了自己独特的生态位。国际BIPV市场预计以每年约20%的速度增长,高度可调的色彩与透明度设计正是撬动建筑师和市场接受度的核心杠杆。正如研究团队所强调的,半透明钙钛矿电池为全球可再生能源的多元化应用提供了一种既环保又美观、兼具实用性与艺术感的新解法。从新加坡的实验室到全球城市街角,从写字楼的玻璃幕墙到普通家庭的汽车天窗,这项技术正在塑造一个每一寸透光表面都可能成为发电单元的可持续未来。