昆蟲的眼睛激發(fā)了新的太陽能電池設計

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

在一項新的研究中，斯坦福大學的團隊使用昆蟲設計來保護脆弱的光伏材料鈣鈦礦在受到熱，濕氣或機械應力時的惡化。

“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化為電能，”材料科學與工程教授，該研究的高級作者Reinhold Dauskardt說。“問題是鈣鈦礦極不穩(wěn)定且機械上很脆弱。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)太陽能設備，如屋頂板，采用平面或平面設計。但這種方法對鈣鈦礦太陽能電池效果不佳。

“鈣鈦礦是我們實驗室歷史上測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構有關，它具有類似于食鹽的機械性能。”

為了解決耐久性挑戰(zhàn)，斯坦福大學的團隊轉向大自然。

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

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

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

研究期間進行的測試表明，腳手架對鈣鈦礦將光轉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小鈣鈦礦電池中獲得了幾乎相同的功率轉換效率，”Dauskardt說。“因此，我們實現(xiàn)了抗裂性的巨大增加，而不會降低效率。”

耐久力

但新設備能否承受傳統(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胞暴露在185華氏度(85攝氏度)和85%相對濕度的溫度下六周。盡管存在這些極端條件，但電池仍以相對較高的效率繼續(xù)發(fā)電。

Dauskardt及其同事已為新技術提交了臨時專利。為了提高效率，他們正在研究將光從支架散射到每個細胞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思路。這些支架細胞看起來也非?？?，因此對于真實世界的應用來說有一些有趣的美學可能性。”