新式太陽能電池——昆蟲復眼

【概要】將微小的太陽能電池包裝在一起，可制成類似于昆蟲復合眼中的微透鏡，能夠幫助科學家解決鈣鈦礦光伏發(fā)展的主要障礙，可為新一代先進的光伏發(fā)電奠基。

【圖注】在斷裂測試后填充鈣鈦礦的復合太陽能電池中的支架。

在一項研究中，斯坦福大學的研究團隊采用了昆蟲風格的設計來保護脆弱的鈣鈦礦光伏材料，使其在它受到熱量，水分或機械應力的影響時，不會過快惡化。此項研究的材料科學和工程教授Reinhold Dauskardt說“鈣鈦礦是一種有前景的，低成本的材料，它可以將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，正如同傳統(tǒng)的硅太陽能電池。但問題在于，鈣鈦礦材料極度的不穩(wěn)定和力學脆弱，它們幾乎無法在制造過程中幸存下來，更無法在環(huán)境中增長使用壽命。”

大多數(shù)的太陽能設備，如屋頂面板，均使用平面設計。但是這種方法在鈣鈦礦太陽能電池板上就無法很好地工作。研究生Nicholas Rolston是E＆ES研究的聯(lián)合負責人，他說“鈣鈦礦是我們實驗室所測試過歷史上最脆弱的材料。鈣鈦礦的這種脆性，與鹽狀晶體結構有關，其具有與食鹽相似的力學性能?！?/p>

蒼蠅的眼睛

為了應對耐久性挑戰(zhàn)，斯坦福大學的團隊將研究思路轉(zhuǎn)向自然生物。Dauskardt解釋道“我們受到飛行昆蟲復眼的啟發(fā)，那其中包含數(shù)百個細小的眼睛。它具有內(nèi)置美麗的蜂窩形狀，如果你失去一個部分，其他部分仍會運行，每個部分都非常脆弱，它們?nèi)菀妆粐@著的腳手架墻所屏蔽?！?/p>

研究人員利用復眼制作了一種復合太陽能電池，它由廣泛的鈣鈦礦微蜂窩蜂窩構成，每個細胞囊封在寬度僅0.02英寸（500微米）的六邊形支架上?！澳_手架是由一種廣泛用于微電子行業(yè)的廉價環(huán)氧樹脂制成的，”羅斯頓說，“它對力學應力具有彈性，從而更不易斷裂?！?/p>

研究期間進行的測試顯示，腳手架對鈣鈦礦將光轉(zhuǎn)換為電能的能力基本無影響?！拔覀儚钠桨逄柲茈姵孬@得的每個小鈣鈦礦電池中都能獲得幾乎相同的功率轉(zhuǎn)換效率，”Dauskardt說，“因此，我們實現(xiàn)了大幅增加抗裂性，卻沒有損失轉(zhuǎn)換效率?！?/p>

耐久性

但是，新設備能否承受傳統(tǒng)屋頂太陽能電池板的高熱高濕度呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，將鈣鈦礦細胞暴露于185華氏度（85攝氏度）和85％相對濕度的溫度下放置6周，在這個極端的條件，該細胞仍繼續(xù)以較高的效率發(fā)電。

Dauskardt及其同事已經(jīng)提交了新技術的臨時專利。為了提高轉(zhuǎn)換效率，他們正在研究將支架上的光分散到每個電池的鈣鈦礦核心的新方法。“我們對這些結果感到非常興奮，”他說， “這是設計太陽能電池的一種新方法，這些支架電池看起來也很酷，所以現(xiàn)實應用中可能會帶來一些有趣的審美角度?！盓＆ES研究的其他共同作者是斯坦福大學博士后學者Brian Watson和Adam Printz。