基于CsPbI3钙钛矿屋顶的实验室温室中菊苣幼苗生长改善及其在农业光伏中的应用研究

编辑推荐：针对农业光伏系统中半透明光伏模块对作物生长影响机制不明的问题，意大利国家研究委员会团队通过集成Eu掺杂CsPbI3钙钛矿屋顶的实验室温室实验，发现菊苣（Cichorium intybus）幼苗在光谱过滤条件下呈现叶片面积增大25%、生物量增加的生长优势，RNA测序揭示22个差异表达基因涉及光形态建成调控。该研究为平衡光伏发电与作物生产的协同优化提供了新策略，成果发表于《Nature Communications》。

　　

在应对全球能源转型与粮食安全的双重挑战中，农业光伏（Agrivoltaics）技术因其能同步实现可再生能源发电与农业生产而备受关注。传统硅基太阳能电池（SSC）虽效率高达26.88%，但其遮光效应会抑制作物生长。半透明（ST）钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借可调光谱透过率和低成本优势（0.22-0.25$/W_p），成为农业光伏的理想选择，但其对植物光形态建成（photomorphogenesis）和转录组的影响尚不明确。意大利国家研究委员会（CNR）的Carlo Spampinato、Salvatore Valastro和Alessandra Alberti团队通过多学科交叉研究，揭示了Eu掺杂CsPbI₃钙钛矿屋顶对菊苣幼苗生长的促进作用及其分子机制，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究采用130 nm厚Eu掺杂CsPbI₃薄膜（带隙1.76 eV，平均可见光透过率32%）构建实验室温室屋顶，通过X射线衍射（XRD）和光谱椭偏仪证实其正交晶系γ相结构稳定性（PL强度15天内无衰减）。利用12通道LED太阳模拟器（190 W/m²，AM 1.5G光谱）模拟特雷维索地区光照条件，对比分析玻璃屋顶（G组）与钙钛矿屋顶（P组）下菊苣幼苗的生长差异，结合RNA测序（平均测序深度3100万reads）和光伏性能模拟完成系统评估。

结构表征与光学特性
XRD显示CsPbI₃:EuI₂薄膜在2θ=14.4°、28.9°处呈现典型正交晶系衍射峰，无δ相杂质。Eu掺杂使晶粒尺寸从89 nm减小至58 nm，量子限域效应导致带隙从1.73 eV蓝移至1.76 eV。薄膜在700-1100 nm远红外区保持70-80%透过率，而光合有效辐射（PAR，400-700 nm）透过率降至32%，UV（360-400 nm）透过率仅15.8%。

幼苗生长表型
15天光照周期后，P组幼苗较G组表现出显著形态差异：叶片数量增加至3-4片（G组仅2片），单叶面积扩大25%，鲜重和干重分别提高18%和22%。值得注意的是，这种生长优势是在P组PAR日积分量降低52%（92 vs 190 W/m²）的条件下实现的，表明光谱组成而非光强起主导作用。UV屏蔽实验证实UV吸收对表型影响微弱，红光/蓝光比例变化（P组红光占比提升）可能是促进叶片扩展的关键因素。

转录组调控机制
RNA-seq分析鉴定出22个差异表达基因（DEGs），其中9个上调基因涉及光信号转导与胁迫响应：RAS相关蛋白RAB-B1c（Log₂FC=5.30）作为光响应标记基因显著上调；衰老相关蛋白酶SAG39（Log₂FC=3.58）的激活可能延缓叶片衰老；质体蓝素B'/B"（Log₂FC=1.24）和 aquaporin PIP2-1（Log₂FC=1.11）分别参与光合电子传递和水分运输。下调基因中，早期光诱导蛋白Elip2（Log₂FC=-2.11）和α-蒎烯合成酶（Log₂FC=-8.78）的抑制提示光胁迫减轻和次生代谢调整。

光伏性能模拟
将CsPbI₃:EuI₂集成至FTO/TiO₂/PTAA/ITO结构的ST-PSC后，器件效率达12.67%（V_oc=1.16 V，J_sc=14.03 mA/cm²）。年化模拟显示，意大利特雷维索地区温室屋顶年发电量达243 kWh/m²，可覆盖高强度能源需求温室（83-222 kWh/m²）的全年用电。

该研究首次通过实验证实CsPbI₃基ST-PSC在农业光伏中的双重效益：光谱过滤通过调控红光/蓝光比例促进菊苣幼苗光形态建成，同时实现能源自给。Eu掺杂策略解决了钙钛矿相稳定性问题（90°C下225分钟无降解），为实际应用奠定基础。未来研究需拓展至大田条件验证作物全生育期响应，并探索不同作物品种的光谱适应性。这项工作为发展"碳中和温室"提供了新材料设计思路和理论依据，推动农业光伏从概念验证向产业化迈进。