加州大学洛杉矶分校的工程师设计太阳能屋顶为温室收集能量

随着全球各国寻求可持续能源以及努力在 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。

该团队开发了一种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，” Yang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. 工程系主任。“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，L-谷胱甘肽的附加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——而在没有使用的情况下，效率不到 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。“但我们重复了多次实验，得到了相同的结果，经过进一步的研究和分析，我们发现植物不需要像我们原先想象的那么多的阳光来生长。事实上，过多的阳光照射弊大于利，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。

加州大学洛杉矶分校 Samueli 材料科学与工程系的这项研究的共同作者是李宗启、孟东、杨文新、王新耀、邢启宇、张斌、周一帆、张伊丽莎白、郑然、魏公华和伊丽莎白 G.斯科特，也隶属于哥伦比亚大学。其他共同作者是加州大学洛杉矶分校化学与生物化学教授 Ken Houk;土耳其马尔马拉大学的 Ilhan Yavuz;Caner Deger，隶属于加州大学洛杉矶分校和马尔马拉大学;加利福尼亚州立大学北岭分校的 Miroslav Peric;以及来自中国大连理工大学的 Minhuan Wang、Yanfeng Yin、Jiming Bian 和 Yantao Shi。

这项研究得到了加州能源委员会的资助，并得到了土耳其国家高性能计算中心的额外支持。个人作者还得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和国家科学基金的资助。