Föreställ dig en bil vars fönster och taklucka kan bidra till att ladda batteriet när den står parkerad i solen, eller ett par smarta glasögon vars linser kan samla in ljus för att driva den inbyggda elektroniken.
Sådana tillämpningar kan bli mer genomförbara tack vare en ny typ av ultratunn, transparent solcell som utvecklats av forskare vid Nanyang Technological University i Singapore (NTU Singapore).
Under ledning av docent Annalisa Bruno har forskarna vid NTU skapat perovskitsolceller som är ungefär 10 000 gånger tunnare än ett människohårstrå och cirka 50 gånger tunnare än konventionella perovskitsolceller.
Trots sin tunnhet uppnådde enheterna några av de högsta effektomvandlingseffektiviteter som hittills rapporterats för ultratunna perovskitsolceller.
Deras resultat, som publicerades i tidskriften ACS Energy Letters, kan bana väg för solceller som kan integreras i byggnader, fordon och bärbara enheter utan att deras utseende förändras nämnvärt.
Eftersom de nya solcellerna är halvtransparenta och färgneutrala kan de potentiellt byggas in i fönster och fasader utan att byggnadens utseende förändras nämnvärt.
NTU-forskaren Dr Daniela De Luca undersöker en prototyp av en ultratunn perovskitsolcell i vakuumkammaren i laboratoriet. Källa: Nanyang Technological University
”Den bebyggda miljön står för ungefär 40 % av den globala energiförbrukningen, så teknik som smidigt omvandlar byggnaders ytor till energiproducerande tillgångar blir allt mer angelägen”, säger docent Bruno, som är verksam vid NTU:s institution för fysik och matematik samt institutionen för materialvetenskap och teknik.
”Våra perovskitsolceller erbjuder tydliga fördelar eftersom de kan tillverkas med enkla processer vid relativt låga temperaturer. De kan också anpassas för att absorbera specifika våglängder samtidigt som de förblir transparenta, och kan potentiellt skalas upp till stora ytor, vilket minskar deras koldioxidavtryck”, tillägger professor Bruno, som också är klusterdirektör för förnybara energikällor, koldioxidsnåla lösningar och energilagring vid NTU:s energiforskningsinstitut.
Till skillnad från konventionella kiselsolceller kan dessa perovskitbaserade enheter generera el även under indirekt solljus och diffusa ljusförhållanden. Detta gör dem särskilt lämpliga för Singapores stadsmiljö, där vertikala byggnadsytor och frekvent molntäcke ofta begränsar direkt solinstrålning.
Om tekniken till exempel skulle skalas upp med bibehållen prestanda, skulle stora glasfasader kunna omvandlas till aktiva ytor för solenergiproduktion.
Preliminära beräkningar tyder på att en installation på en stor byggnad med glasfasad, till exempel ett kontorshus vid Raffles Place eller Marina Bay, teoretiskt sett skulle kunna generera flera hundra megawattimmar el per år.
Beroende på den användbara glasytan och byggnadens orientering skulle denna energiproduktion motsvara den årliga elförbrukningen för cirka 100 fyrarumslägenheter i HDB.
Tillverkning av nästan osynliga solceller
Perovskitsolceller består av flera lager, inklusive ett halvledarlager som absorberar solljus och omvandlar det till el.
För att tillverka de ultratunna cellerna använde NTU-teamet en industriellt kompatibel metod som kallas termisk förångning. I denna process värms utgångsmaterialen upp i en vakuumkammare tills de förångas. Ångan lägger sig sedan på en yta, där den bildar en tunn film.
Metoden gör det möjligt att avsätta mycket tunna och enhetliga perovskitlager över stora ytor. Den undviker också användningen av giftiga lösningsmedel och bidrar till att minska defekter i solcellerna, vilket förbättrar deras förmåga att omvandla ljus till elektricitet.
Genom att justera processen kunde forskarna kontrollera tjockleken på perovskitlagret och skapa både opaka och halvtransparenta enheter.
Teamet anser att detta är första gången som ultratunna perovskitsolceller har tillverkats helt med hjälp av vakuumbaserade processer. Detta skulle kunna göra tekniken mer lämplig för storskalig industriell produktion i framtiden.
Med hjälp av tekniken producerade forskarna ultratunna perovskitabsorberande skikt på ner till 10 nanometer samtidigt som de behöll en användbar solcellsprestanda.
I opaka enheter uppnådde cellerna en energieffektivitet på cirka 7 %, 11 % och 12 % för perovskitskikt som mätte 10, 30 respektive 60 nanometer.
En halvtransparent cell med ett 60 nanometer tunt perovskitskikt släppte igenom cirka 41 % av det synliga ljuset, samtidigt som den omvandlade solljus till elektricitet med en effektivitet på 7,6 %.
Forskarna uppgav att detta är en av de bästa rapporterade prestandorna för halvtransparenta perovskitsolceller tillverkade av liknande material.
Detta gör det möjligt för dagsljus att passera igenom samtidigt som en användbar mängd elektricitet genereras, vilket är viktigt för tillämpningar såsom solfönster, glasfasader och tonade byggnadsytor.
Första författaren till artikeln, dr Luke White, tidigare doktorand vid Energy Research Institute vid NTU, School of Physical and Mathematical Sciences och School of Materials Science and Engineering, sade: ”Genom att kontrollera termisk förångning med precision kan vi justera solcellernas transparens. Detta öppnar upp nya möjligheter för hållbar arkitektur, såsom tonade fönster som genererar elektricitet.”
I en oberoende kommentar säger professor Sam Stranks, professor i energimaterial och optoelektronik vid Institutionen för kemiteknik och bioteknik vid University of Cambridge: ”Denna metod erbjuder en hög grad av kontroll över filmtjocklek och enhetlighet, vilket kommer att behövas om halvtransparenta solceller ska kunna användas i applikationer med större ytor.”
”Halvtransparenta perovskitsolceller är en spännande väg att gå för att utvinna energi från ytor som är svåra att använda med konventionella kiselpaneler, såsom fönster, fasader och lättviktselektronik.
”De resultat som redovisas här visar en lovande balans mellan transparens och kraftproduktion i mycket tunna enheter, medan de nästa avgörande testerna kommer att gälla långsiktig stabilitet, hållbarhet och prestanda över större ytor.”
Driva hållbara städer
Prof. Bruno är en pionjär inom området perovskitsolceller. Hennes tidigare arbete med termiskt förångade perovskitsolceller har skalats upp, vilket har drivit utvecklingen inom området perovskitsolceller framåt och banat väg för industriell tillämpning.
Hennes innovationer stöds av NTU:s initiativ för innovation och entreprenörskap, som hjälper forskarteam att påskynda och omsätta lovande idéer från laboratoriet till kommersialisering.
En patentansökan för utvecklingen av ultratunna perovskitfilmer i en ny struktur har lämnats in via NTUitive, universitetets innovations- och företagsbolag.
Forskarna för nu samtal med företag för att validera och standardisera den termiska förångningsprocess som används i denna studie. De kommer också att arbeta för att förbättra perovskitsolcellernas långsiktiga stabilitet, hållbarhet och prestanda på stora ytor innan de kan användas kommersiellt.
I takt med att städerna blir tätare och efterfrågan på el ökar ses byggnader alltmer inte bara som energikonsumenter, utan som potentiella källor till ren energi.
Solpaneler används redan i stor utsträckning på tak. Men byggnaders vertikala ytor, inklusive fönster och glasfasader, förblir i stort sett outnyttjade.
Deras genombrott markerar ett viktigt steg mot transparenta solceller som kan integreras i vardagliga ytor, från byggnadsfönster till fordon och bärbar elektronik, vilket hjälper städer att generera mer ren energi utan att kräva ytterligare mark.
Publikationsuppgifter
Luke R. W. White et al, Ultrathin Fully Vacuum-Processed Perovskite Solar Cells with Absorbers Down to 10 nm, ACS Energy Letters (2026). DOI: 10.1021/acsenergylett.5c04261
