研究人員模仿不起眼的葉子,在光伏材料表面制成微觀褶皺,顯著提高了輸出功率,他們采用的是柔性、低成本太陽(yáng)能電池。
這個(gè)研究小組是普林斯頓大學(xué)(Princeton University)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的,他們的成果4月22日在線發(fā)表在《自然•光子學(xué)》上,題為《細(xì)紋和深皺褶用作光伏材料的光子結(jié)構(gòu)》(Wrinkles and deep folds as photonic structures in photovoltaics),報(bào)道說(shuō),褶皺使發(fā)電量增加了47%。魯越臨(Yueh-Lin (Lynn) Loo)是首席研究員,他說(shuō),精細(xì)校準(zhǔn)的褶皺在電池板表面會(huì)疏導(dǎo)光波,提高光伏材料的暴光量。
“在平面上,光線或者被吸收,或者被反射回來(lái),”魯越臨說(shuō),他是普林斯頓大學(xué)化學(xué)和生物工程教授。“添加這些曲線,我們就創(chuàng)造了一種波導(dǎo)。這會(huì)帶來(lái)更多的機(jī)會(huì),使光被吸收。”
研究小組工作中使用的光伏發(fā)電系統(tǒng),是用相對(duì)便宜的塑料制成。目前,太陽(yáng)能電池板通常是用硅制作,既脆弱,也比塑料昂貴。到目前為止,塑料電池板還不實(shí)用,沒(méi)有廣泛使用,因?yàn)樗鼈兊哪芰可a(chǎn)太低。但是,研究人員一直在增加這一效率,目標(biāo)是創(chuàng)造一種廉價(jià),堅(jiān)韌和柔性的太陽(yáng)能發(fā)電材料。
微觀褶皺提高太陽(yáng)能電池的輸出功率和耐久性
如果研究人員可以增加塑料電池板的效率,那這種材料發(fā)電,就可以采用表面陣列,可以采用插入窗口的電池板,也可以覆蓋在外墻上或背包上。
“這是柔性的,可彎曲,重量輕,成本低,”魯越臨說(shuō)。
在大多數(shù)情況下,研究人員都是集中增加塑料光伏材料本身的效率。最近的進(jìn)展很有希望:加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的研究小組發(fā)布一種系統(tǒng),具有10.6%的效率。這就是接近10%至15%的水平,被視為瞄準(zhǔn)商用的開(kāi)發(fā)。
金鐘福(Jong Bok Kim)屬于研究小組,他發(fā)現(xiàn),微觀褶皺可顯著提高太陽(yáng)能電池的功率
魯越臨說(shuō),這種褶皺方法有望提高這些數(shù)字。因?yàn)檫@種技術(shù)適應(yīng)大多數(shù)塑料光伏材料類(lèi)型,應(yīng)該會(huì)全面提升效率。
“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的工藝,你可以用任何材料,”她說(shuō)。“我們已經(jīng)用其他聚合物進(jìn)行了測(cè)試,效果很好。”
金鐘福是化學(xué)和生物工程博士后研究員,也是論文的首席作者,他解釋說(shuō),《自然•光子學(xué)》論文描述,電池板表面的褶皺會(huì)引導(dǎo)光波,穿過(guò)材料,方式上很像河槽疏導(dǎo)水流穿過(guò)農(nóng)田。研究人員使光線彎曲,穿過(guò)材料,基本上可以捕捉光線,使進(jìn)入光伏材料內(nèi)部,停留一段較長(zhǎng)的時(shí)間,從而更多地吸光和發(fā)電。
細(xì)紋向褶皺的結(jié)構(gòu)演變
“我預(yù)計(jì),這會(huì)增加光電流,因?yàn)轳薨櫟谋砻婧茴?lèi)似葉子的形態(tài),葉子這種自然系統(tǒng)具有很高的捕光效率,”金鐘福說(shuō),他是化學(xué)和生物工程博士后研究員。“然而,當(dāng)我真正在褶皺表面制成太陽(yáng)能電池時(shí),它的效果比我預(yù)期的更好。”
雖然這一技術(shù)帶來(lái)整體的效率提升,但是,效果尤其顯著的是在紅光部分光譜,具有最長(zhǎng)的可見(jiàn)光波長(zhǎng)。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板效率大幅度下降,就是因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)增加,頻譜接近紅外光時(shí),幾乎沒(méi)有光可吸收。但是,褶皺技術(shù)可以增加這端光譜的吸收,約增加600%,這是研究人員發(fā)現(xiàn)的。
“如果你看一下太陽(yáng)光譜就發(fā)現(xiàn),有很多陽(yáng)光我們都浪費(fèi)了,”魯越臨說(shuō)。“這是一種方法,可以提高效率。”
在機(jī)械和航空航天工程系霍華德•斯通(Howard Stone)實(shí)驗(yàn)室,研究小組創(chuàng)造了這種皺褶表面,他們仔細(xì)加工了一層液體感光膠粘劑,是采用紫外線進(jìn)行固化。通過(guò)控制不同部分膠粘劑的固化速度,研究小組就可以把應(yīng)力引入材料中,在表面生成波紋。較淺的波紋算作細(xì)紋,較深的被稱(chēng)為褶皺。研究小組發(fā)現(xiàn),表面兼有細(xì)紋和褶皺,會(huì)產(chǎn)生最好的效果。
雖然這一過(guò)程背后的數(shù)學(xué)很復(fù)雜,但是,實(shí)際生產(chǎn)非常簡(jiǎn)單。魯越臨說(shuō),這相當(dāng)實(shí)用,可用于工業(yè)領(lǐng)域。
“一切都取決于這一點(diǎn),事實(shí)上,你可以重復(fù)形成這種細(xì)紋和褶皺,”魯越臨說(shuō)。“通過(guò)控制應(yīng)力,我們就可以引入或多或少的細(xì)紋和褶皺。”
另一個(gè)好處是,這一工藝可以增加太陽(yáng)能電池板的耐用性,減輕彎曲的機(jī)械應(yīng)力。研究人員發(fā)現(xiàn),電池板采用褶皺表面,彎曲后仍然可以保持有效性。標(biāo)準(zhǔn)的塑料電池板的能量生產(chǎn),彎曲后會(huì)減少70%。
魯越臨說(shuō),研究人員是從葉片中取得他們的靈感。葉子看似簡(jiǎn)單的東西,其實(shí)是一項(xiàng)神奇的天然工程。它的綠色表面構(gòu)造完美,可彎曲和控制光線,確保最大量的太陽(yáng)能可以被吸收,以創(chuàng)造能量和營(yíng)養(yǎng)素,供應(yīng)樹(shù)木。最近的研究是金品楠(Pilnam Kim)搞的,他是斯通實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員,他深入研究的,是如何用這些微觀結(jié)構(gòu)合成一些裝置。
“如果你非常細(xì)致地觀察葉子,就會(huì)發(fā)現(xiàn),它們并不平滑,它們有各種各樣的結(jié)構(gòu),”魯越臨說(shuō),他也是普林斯頓大學(xué)安德林格能源與環(huán)境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)副主任。“我們想模仿這些幾何效應(yīng),合成人造捕光系統(tǒng)。”
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