研究人员模仿不起眼的叶子,在光伏材料表面制成微观褶皱,显著提高了输出功率,他们采用的是柔性、低成本太阳能电池。
这个研究小组是普林斯顿大学(Princeton University)的科学家领导的,他们的成果4月22日在线发表在《自然•光子学》上,题为《细纹和深皱褶用作光伏材料的光子结构》(Wrinkles and deep folds as photonicstructures in photovoltaics),报道说,褶皱使发电量增加了47%。鲁越临(Yueh-Lin (Lynn) Loo)是首席研究员,他说,精细校准的褶皱在电池板表面会疏导光波,提高光伏材料的暴光量。
“在平面上,光线或者被吸收,或者被反射回来,”鲁越临说,他是普林斯顿大学化学和生物工程教授。“添加这些曲线,我们就创造了一种波导。这会带来更多的机会,使光被吸收。”
研究小组工作中使用的光伏发电系统,是用相对便宜的塑料制成。目前,太阳能电池板通常是用硅制作,既脆弱,也比塑料昂贵。到目前为止,塑料电池板还不实用,没有广泛使用,因为它们的能量生产太低。但是,研究人员一直在增加这一效率,目标是创造一种廉价,坚韧和柔性的太阳能发电材料。
微观褶皱提高太阳能电池的输出功率和耐久性
如果研究人员可以增加塑料电池板的效率,那这种材料发电,就可以采用表面阵列,可以采用插入窗口的电池板,也可以覆盖在外墙上或背包上。
“这是柔性的,可弯曲,重量轻,成本低,”鲁越临说。
在大多数情况下,研究人员都是集中增加塑料光伏材料本身的效率。最近的进展很有希望:加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究小组发布一种系统,具有10.6%的效率。这就是接近10%至15%的水平,被视为瞄准商用的开发。
金钟福(Jong Bok Kim)属于研究小组,他发现,微观褶皱可显著提高太阳能电池的功率
鲁越临说,这种褶皱方法有望提高这些数字。因为这种技术适应大多数塑料光伏材料类型,应该会全面提升效率。
“这是一个非常简单的工艺,你可以用任何材料,”她说。“我们已经用其他聚合物进行了测试,效果很好。”
金钟福是化学和生物工程博士后研究员,也是论文的首席作者,他解释说,《自然•光子学》论文描述,电池板表面的褶皱会引导光波,穿过材料,方式上很像河槽疏导水流穿过农田。研究人员使光线弯曲,穿过材料,基本上可以捕捉光线,使进入光伏材料内部,停留一段较长的时间,从而更多地吸光和发电。
细纹向褶皱的结构演变
“我预计,这会增加光电流,因为褶皱的表面很类似叶子的形态,叶子这种自然系统具有很高的捕光效率,”金钟福说,他是化学和生物工程博士后研究员。“然而,当我真正在褶皱表面制成太阳能电池时,它的效果比我预期的更好。”
虽然这一技术带来整体的效率提升,但是,效果尤其显著的是在红光部分光谱,具有最长的可见光波长。传统的太阳能电池板效率大幅度下降,就是因为光的波长增加,频谱接近红外光时,几乎没有光可吸收。但是,褶皱技术可以增加这端光谱的吸收,约增加600%,这是研究人员发现的。
“如果你看一下太阳光谱就发现,有很多阳光我们都浪费了,”鲁越临说。“这是一种方法,可以提高效率。”
在机械和航空航天工程系霍华德•斯通(Howard Stone)实验室,研究小组创造了这种皱褶表面,他们仔细加工了一层液体感光胶粘剂,是采用紫外线进行固化。通过控制不同部分胶粘剂的固化速度,研究小组就可以把应力引入材料中,在表面生成波纹。较浅的波纹算作细纹,较深的被称为褶皱。研究小组发现,表面兼有细纹和褶皱,会产生最好的效果。
虽然这一过程背后的数学很复杂,但是,实际生产非常简单。鲁越临说,这相当实用,可用于工业领域。
“一切都取决于这一点,事实上,你可以重复形成这种细纹和褶皱,”鲁越临说。“通过控制应力,我们就可以引入或多或少的细纹和褶皱。”
另一个好处是,这一工艺可以增加太阳能电池板的耐用性,减轻弯曲的机械应力。研究人员发现,电池板采用褶皱表面,弯曲后仍然可以保持有效性。标准的塑料电池板的能量生产,弯曲后会减少70%。
鲁越临说,研究人员是从叶片中取得他们的灵感。叶子看似简单的东西,其实是一项神奇的天然工程。它的绿色表面构造完美,可弯曲和控制光线,确保最大量的太阳能可以被吸收,以创造能量和营养素,供应树木。最近的研究是金品楠(Pilnam Kim)搞的,他是斯通实验室的博士后研究员,他深入研究的,是如何用这些微观结构合成一些装置。
“如果你非常细致地观察叶子,就会发现,它们并不平滑,它们有各种各样的结构,”鲁越临说,他也是普林斯顿大学安德林格能源与环境中心(Andlinger Center forEnergyand the Environment)副主任。“我们想模仿这些几何效应,合成人造捕光系统。”
转载请注明出处。