昆蟲的眼睛激發(fā)了新的太陽能電池設(shè)計(jì)

斯坦福大學(xué)的科學(xué)家表示，將微小的太陽能電池包裝在一起，就像昆蟲的復(fù)眼中的微透鏡一樣，可以為新一代先進(jìn)的光伏發(fā)電鋪平道路。

在一項(xiàng)新的研究中，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用昆蟲設(shè)計(jì)來保護(hù)脆弱的光伏材料鈣鈦礦在受到熱，濕氣或機(jī)械應(yīng)力時(shí)的惡化。

“鈣鈦礦是一種很有前景的低成本材料，可以像傳統(tǒng)的硅制太陽能電池一樣有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能，”材料科學(xué)與工程教授，該研究的高級(jí)作者Reinhold Dauskardt說。“問題是鈣鈦礦極不穩(wěn)定且機(jī)械上很脆弱。它們幾乎不能在制造過程中存活下來，更不用說在環(huán)境中長期耐用了。”

大多數(shù)太陽能設(shè)備，如屋頂板，采用平面或平面設(shè)計(jì)。但這種方法對(duì)鈣鈦礦太陽能電池效果不佳。

“鈣鈦礦是我們實(shí)驗(yàn)室歷史上測(cè)試過的最脆弱的材料，”研究生Nicholas Rolston說，他是E&ES研究的聯(lián)合主要作者。“這種脆弱性與鈣鈦礦的脆性鹽狀晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，它具有類似于食鹽的機(jī)械性能。”

為了解決耐久性挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向大自然。

“我們受到蒼蠅復(fù)眼的啟發(fā)，它由數(shù)百個(gè)細(xì)小的眼睛組成，”Dauskardt解釋道。“它有一個(gè)美麗的蜂窩形狀，內(nèi)置冗余：如果你失去一個(gè)部分，數(shù)百個(gè)其他部分將運(yùn)作。每個(gè)部分都非常脆弱，但它被圍繞它的腳手架墻屏蔽。”

研究人員使用復(fù)眼作為模型，創(chuàng)造了一個(gè)復(fù)合太陽能電池，由巨大的鈣鈦礦微電池蜂窩組成，每個(gè)微電池都封裝在一個(gè)寬度為0.02英寸(500微米)的六邊形支架中。

“支架由廉價(jià)的環(huán)氧樹脂制成，廣泛用于微電子工業(yè)，”Rolston說。“它對(duì)機(jī)械應(yīng)力具有彈性，因此更能抵抗斷裂。”

研究期間進(jìn)行的測(cè)試表明，腳手架對(duì)鈣鈦礦將光轉(zhuǎn)化為電能的能力影響不大。

“我們從平面太陽能電池得到的每個(gè)小鈣鈦礦電池中獲得了幾乎相同的功率轉(zhuǎn)換效率，”Dauskardt說。“因此，我們實(shí)現(xiàn)了抗裂性的巨大增加，而不會(huì)降低效率。”

耐久力

但新設(shè)備能否承受傳統(tǒng)屋頂太陽能電池板所承受的那種熱量和濕度?

為了找到答案，研究人員將封裝的鈣鈦礦細(xì)胞暴露在185華氏度(85攝氏度)和85%相對(duì)濕度的溫度下六周。盡管存在這些極端條件，但電池仍以相對(duì)較高的效率繼續(xù)發(fā)電。

Dauskardt及其同事已為新技術(shù)提交了臨時(shí)專利。為了提高效率，他們正在研究將光從支架散射到每個(gè)細(xì)胞的鈣鈦礦核心的新方法。

“我們對(duì)這些結(jié)果感到非常興奮，”他說。“這是設(shè)計(jì)太陽能電池的一種新思路。這些支架細(xì)胞看起來也非?？幔虼藢?duì)于真實(shí)世界的應(yīng)用來說有一些有趣的美學(xué)可能性。”