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蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍! – 微米纳米网
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微米和纳米科技材料

蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍!

导读

最近,德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员从红珠凤蝶翅膀上纳米结构的“孔”中汲取灵感,成功地将这些纳米结构转移应用于太阳能电池,提高太阳能电池的光线吸收率达200%。这种纳米孔比起光滑的表面,吸收的光谱范围要宽得多。

关键字

太阳能、电池、仿生学

背景

作为新能源的代表,太阳能具有清洁、环境友好、可再生、易获取、低成本等优势。太阳能电池是人类利用太阳能的一个典型产品,传统的太阳能电池大多数采用晶体硅作为材料。

蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍!

(图片来源于:维基百科)

然而,相对于传统的晶体硅太阳能电池,薄膜光伏模块是一个经济上颇具吸引力的替代品,因为它的光线吸收层可薄至1/1000,因此材料消耗大大降低。

蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍!

(图片来源于:维基百科)

但是,这些薄层的光线吸收率要低于那些晶体硅太阳能电池。所以,他们在那些需要能量较少的系统中使用,例如袖珍计算器和手表。对于更大规模的应用例如屋顶上光伏系统来说,改善光线吸收率将使得薄膜太阳能电池变得更具吸引力。

然而,问题的关键在于:太阳能电池反射的太阳光,会作为未经使用的能量而浪费掉。

创新

之前,笔者已经介绍过多个“仿生学”相关的创新案例,例如昆虫复眼启发的钙钛矿太阳能电池单元和“复眼技术”摄像头、灵感来自“维生素”的成本高效率的新型电池、警报水母启发的新型电子皮肤、灵感来分形植物的石墨烯电极、蛾眼启发的新型手机薄膜。

这一次,科学家们再一次从大自然中获取灵感。红珠凤蝶(Pachliopta aristolochiae)是一种外表非常美丽的生物,翅膀上具有纳米结构的孔,简称“纳米孔”。这种纳米孔比起光滑的表面,吸收的光谱范围要宽得多。

蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍!

(图片来源于:维基百科)

德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员成功地将这些纳米结构转化为太阳能电池,这样将提高其光线吸收率达200%。

技术

卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所(IMT)的博士 Hendrik Hölscher 表示:

“我们研究的蝴蝶是深黑色的。这标志着它完美地吸收太阳光,以达到最佳的热量管理。比外表更迷人的是使它达到高的光线吸收率的机制。将这些结构转化为光伏电池(PV)所显示出来的优化能力,远远高于我们的期望。”

Hendrik Hölscher 和 Radwanul H. Siddique(之前在KIT,现在在Caltech)所在的科学家团队在薄膜太阳能电池的硅吸收层中,复制了蝴蝶的纳米结构。随后对于光线吸收率的分析结果非常有前景:比起光滑的表面,垂直的入射光的光线吸收率增加至97%,并且持续上升,在入射角为50度时达到207%。Hendrik Hölscher 表示:

“在欧洲的条件下,这是特别引人关注的。在垂直角度上,我们时常难以让漫反射光落到太阳能电池上。”

然而,这并不是顺理成章地暗示,整个光伏系统的效率都由相同的因素而提高。IMT 的 Guillaume Gomard 表示:

“其他组件也在发挥作用。因此,200%被认为是效率提高的理论极限。”

在将纳米结构转移到太阳能电池之前,研究人员通过扫描电子显微镜,确定了蝴蝶翅膀上纳米孔的直径和排列。然后,他们通过计算机仿真分析了各种洞图案的光线吸收率。相对于那些周期性组织的纳米孔,他们发现不同直径的无序孔,例如那些在黑蝴蝶中发现的,在跨越各种入射角的全光谱上,具有最稳定的光线吸收率。

蝴蝶翅膀启发的太阳能电池:光线吸收率可提高两倍!

(图片来源:Radwanul H. Siddique, KIT/Caltech)

因此,研究人员在薄膜光伏吸收器中引进了位置无序、直径在133纳米至343纳米之间的各种孔。科学家们展示,通过去除材料,光线输出能够大幅度提高。在这个项目中,他们的工作对象是氢化非晶硅。

价值

据研究人员称,任何类型的薄膜光伏技术都可以通过这种纳米结构进行改善,包括工业生产规模的。

参考资料

【1】httpss://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_153_butterfly-wing-inspires-photovoltaics-light-absorption-can-be-enhanced-by-up-to-200-percent.php

【2】Radwanul H. Siddique, Yidenekachew J. Donie, Guillaume Gomard, Sisir Yalamanchili, Tsvetelina Merdzhanova, Uli Lemmer, Hendrik Hölscher. Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers. Science Advances, 2017; 3 (10): e1700232 DOI: 10.1126/sciadv.1700232

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