意大利国家研究委员会-微电子和微系统研究所(CNR-IMM)和Cicci Research的研究人员最近研究了菊苣幼苗(Cichorium intybus var. latifolium)在实验室规模的温室中生长的可行性和农艺意义，该温室将半透明钙钛矿基太阳能电池作为屋顶涂层。
图片来自 Nature Communications
农业环境中使用的传统光伏系统由硅材料制成，这些太阳能电池的不透明性质会阻挡阳光照射到植物并阻碍它们的生长。因此，需要先进的太阳能电池，这些电池既能提供足够的电力，又能使植物生长，而不是给它们投下阴影。
图片来自 Nature Communications
众所周知，不透明的太阳能电池会在植物中诱导避阴综合症。这会导致形态适应，包括叶绿素含量的变化和叶面积的增加，以及植物代谢物谱的变化。较低的紫外线照射还可以降低多酚含量—人类从植物中获得的抗氧化剂和抗炎分子。
解决这些问题需要开发具有足够高效率的半透明光伏板，以便在商业上可行。一些可以做得足够薄以半透明的常见面板包括有机和染料敏化太阳能电池(DSSCs)。虽然这些被用来在种植西红柿和生菜时提供电力，但它们的功率转换效率(PCE)通常只有几个百分点—仍然需要更高效的能量收集器。钙钛矿太阳能电池(PSCs)在PCE方面显示出很大的前景，并且可以制成半透明。
图片来自 Nature Communications
在最近的这项研究中，研究人员使用富含半透明铕(Eu)的CsPbI3设计了一个实验室规模的温室钙钛矿涂层屋顶，并研究了菊苣种子如何在温室中生长15天。他们选择这种富含Eu 的钙钛矿组合物是因为CsPbI3与其他钙钛矿相比，具有优异的热稳定性，使其成为长时间暴露在太阳光线下的理想选择。将 Eu 添加到 CsPbI 中3结构通过最大限度地减少本征缺陷的数量和增加钙钛矿晶粒的表面体积比来提高钙钛矿的稳定性。
除了这种稳定性外，这种钙钛矿还不含在高表面温度下可能溢出的挥发性成分。它通常还具有较高的PCE—这种成分的效率记录为21.15%，这比以前使用有机光伏(OPVs)和染料敏化电池(DSSCs)效率要高得多，并且在商业上也更具可行性。因此，这种钙钛矿在效率和透光性之间提供了一个很好的权衡，可以在传输足够的光以允许幼苗生长的同时实现。
尽管幼苗暴露在比自然光更低的光照条件下，但研究小组发现，与玻璃板下的幼苗相比，它们生长得更快，叶子也更大。这归因于钙钛矿充当过滤器，仅允许红光通过，因为众所周知，红光可以提高植物的光合作用效率和光吸收能力，并增加植物内蔗糖和己糖的水平。
实验室规模温室设计 (图片来源: CNR-IMM)
研究人员还发现，与在玻璃下生长的幼苗相比，在这些条件下生长的幼苗具有不同的基因表达模式。这些表达模式与环境胁迫反应、生长调节、新陈代谢和光感知有关，表明幼苗自然适应了不同的光照条件—尽管需要进一步的研究来了解这些适应是否会提高作物产量。
总体而言，钙钛矿光伏的使用在能够提供足够的电力来满足每年的灌溉、照明和空调能源需求之间取得了良好的平衡，同时仍然允许幼苗生长—而且生长得越来越快。该团队认为，钙钛矿太阳能电池可以帮助农业部门的室内食品生产作，作为一种可能负担得起的解决方案，尽管现在需要进行更大规模的更多工作来测试该技术的商业可行性。
