昆虫的眼睛激发了新的太阳能电池设计

2019-01-15 08:39:32
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斯坦福大学的科学家表示,将微小的太阳能电池包装在一起,就像昆虫的复眼中的微透镜一样,可以为新一代先进的光伏发电铺平道路。

在一项新的研究中,斯坦福大学的团队使用昆虫设计来保护脆弱的光伏材料,称为钙钛矿,在受到热,湿气或机械应力时会恶化。结果发表在能源与环境科学(E&ES)期刊上。

“钙钛矿是一种很有前途的低成本材料,可以像传统的硅制太阳能电池一样有效地将太阳光转化为电能,”材料科学与工程教授,该研究的高级作者Reinhold Dauskardt说。“问题是钙钛矿非常不稳定,机械上很脆弱。它们几乎不能在制造过程中存活下来,更不用说在环境中长期耐用了。”

大多数太阳能设备,如屋顶板,采用平面或平面设计。但这种方法对钙钛矿太阳能电池效果不佳。

“钙钛矿是我们实验室历史上测试过的最脆弱的材料,”研究生Nicholas Rolston说,他是E&ES研究的共同主要作者。“这种脆弱性与钙钛矿的脆性盐状晶体结构有关,它具有与食盐相似的机械性能。”

飞翔的眼睛

为了解决耐久性挑战,斯坦福大学的团队转向大自然。

“我们受到苍蝇复眼的启发,它由数百个细小的眼睛组成,”Dauskardt解释道。“它有一个漂亮的蜂窝形状,内置冗余:如果你失去了一个部分,其他数百个将会运作。每个部分都非常脆弱,但周围有一个脚手架围墙。”

研究人员使用复眼作为模型,创造了一个复合太阳能电池,由巨大的钙钛矿微电池蜂窝组成,每个微电池都封装在一个宽度为0.02英寸(500微米)的六边形支架中。

“支架由廉价的环氧树脂制成,广泛用于微电子工业,”Rolston说。“它对机械应力具有弹性,因此更能抵抗断裂。”

研究期间进行的测试表明,脚手架对钙钛矿将光转化为电能的能力影响不大。

“我们从平面太阳能电池得到的每个小钙钛矿电池中获得了几乎相同的功率转换效率,”Dauskardt说。“因此,我们实现了抗断裂性的巨大增加,而不会降低效率。”

耐久力

但新设备能承受传统屋顶太阳能电池板所承受的那种热量和湿度吗?

为了找到答案,研究人员将封装的钙钛矿细胞暴露在185华氏度(85摄氏度)和85%相对湿度的温度下六周。尽管存在这些极端条件,但电池仍以相对较高的效率继续发电。

Dauskardt及其同事已为新技术提交了临时专利。为了提高效率,他们正在研究将光从支架散射到每个细胞的钙钛矿核心的新方法。

“我们对这些结果感到非常兴奋,”他说。“这是设计太阳能电池的一种新思路。这些支架细胞看起来也非常酷,因此对于实际应用来说有一些有趣的美学可能性。

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