溫室技術是現代化農業生產中的重要手段。根據統計，截至2020年，中國溫室面積已達到187萬公頃。雖然溫室技術在提高農作物產量方面具有顯著優勢，但其高能耗問題也不容忽視。溫室內的溫度、光強度、濕度和二氧化碳濃度等參數的調控都需要大量能源，這對環境和經濟效益產生了不利影響。此外，強烈的光照輻射也會影響農作物的生長。
為了在提高農作物產量的同時降低能耗、提升能效，並實現再生能源的高滲透率，將新能源發電技術與農業發展緊密結合成為當前的重要發展方向之一。光伏發電在溫室中的應用，不僅實現了新能源的就地消納和分散式微電網的構建，還對電能替代和多能互補起到了關鍵作用。
在作物光合作用中，葉綠素和類胡蘿蔔素吸收的光波長範圍為400~550nm和600~1000nm，而小於400nm的高能量光子會對作物生長產生負面影響。在作物光合作用中，葉綠素和類胡蘿蔔素吸收的光波長範圍如下：
葉綠素（Chlorophyll）：
葉綠素a主要吸收光波長範圍為640~660nm。
葉綠素b主要吸收光波長範圍為430~450nm。
類胡蘿蔔素（Carotenoids）：
類胡蘿蔔素及其衍生物（如葉黃素）的吸收光譜範圍為400~520nm，其中高峰位於440~460nm。
這些色素在光合作用中扮演著重要角色，葉綠素主要吸收藍光和紅光，而類胡蘿蔔素主要吸收藍紫光。植物最少吸收綠色光，這也是為什麼植物呈現綠色。基於此, 如果能夠濾除小於400nm的高能量光子，並透過可見光來保護作物生長，同時利用濾除的高能量光子進行發電，將是最理想的溫室光伏解決方案。半透明鈣鈦礦太陽能電池正好滿足這一需求。其帶隙可調的優勢可以充分吸收小於400nm的光，透明化的電池則能透過作物需要的光合作用部分的可見光。此外，半透明鈣鈦礦太陽能電池還可以製備在柔性基底上，更適合在溫室中的應用。
2019年，有研究針對半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農業場景中的應用展開研究，並製備出了超寬帶隙的純溴組分MAPbBr3鈣鈦礦薄膜。雖然這種電池對薄膜製備過程和品質有著非常苛刻的要求，但研究人員通過選擇適當的反溶劑，最終提升了電池性能，實現了超寬帶隙2eV以上、效率7.51%、透光率接近40%的半透明裝置，為後續研究奠定了基礎。
然而，為了更好地應用於溫室農業，還需要製備出具有柔性和可彎曲特性的半透明鈣鈦礦電池。2021年，有研究嘗試將薄金屬透明電極製備於半透明鈣鈦礦太陽能電池上，並設計了應用場景。這種柔性電池實現了7.67%的光電轉換效率以及在540~760nm光波長範圍內超過60%的光透率，為未來的應用打開了突破口。需要注意的是，特殊結構的薄金屬電極雖然導電性較強，但其透光性相較於TCO等透明電極仍有一定差距。如何解決TCO電極的機械脆性問題，將是未來研究的重點。
總結來說，半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農業中的應用前景廣闊，但仍處於研究的初步階段。未來的研究需要在裝置效率提升、柔性製備、作物生長與光譜匹配度分析、多能互補模擬系統建構等方面進行深入探索，以實現更高效的溫室農業生產。
參考文獻及圖片來源:
[第四屆台灣鈣鈦礦技術暨應用論壇報名資訊] 8/27登場，海內外專家聚焦量產及應用趨勢
活動資訊：第四屆台灣鈣鈦礦技術暨應用論壇
時間：2024年8月27日 上午9點至下午5點 (AM8:30開放入場)
地點：長庚大學國際會議廳
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