微米和纳米科技材料

受蝴蝶启发的光伏技术可将光吸收率提高多达200%

太阳能电池反射的阳光作为未使用的能源而失去了。红珠凤蝶的翅膀是由纳米结构(纳米孔)形成,这些纳米结构可以帮助吸收比光滑表面更宽的光谱。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员现在已经成功地将这些纳米结构转移到太阳能电池上,从而将其光吸收率提高了200%。科学家们在“Science Advances”发表了他们的研究成果。

受蝴蝶启发的光伏技术可将光吸收率提高多达200%

红珠凤蝶的翅膀的纳米结构可以转移到太阳能电池上,并将其吸收率提高达200%。 (图片:Radwanul H. Siddique,KIT/加利福尼亚理工学院)

“我们研究的蝴蝶非常黑。这意味着它可以完美吸收阳光,以实现最佳的热量管理。比蝴蝶自身外表更令人着迷的是蝴蝶翅膀的机制有助于达到高度吸收率。KIT微结构技术研究所(IMT)的Hendrik Hölscher博士表示,将这些结构转移到光伏(PV)系统的优化潜力被发现远高于预期。

HendrikHölscher和Radwanul H. Siddique(前身是KIT,现在的Caltech)团队的科学家们在薄膜太阳能电池的硅吸收层中再现了蝴蝶的纳米结构。随后对光吸收率的分析产生了有希望的结果:与光滑表面相比,垂直入射光的吸收率增加了97%,并且改变入射角度,其吸收率持续上升,直到以50度的入射角入射时吸收率到207%。

“这在欧洲气候的阳光照射条件下特别有意思。通常情况下,我们的散射光几乎不会落在太阳能电池的垂直角上,“Hendrik Hölscher说到。

然而,IMT的Guillaume Gomard表示,这并不意味着整个光伏系统的效率通过这一相同的因素而得到同样的提高。“其他组件也发挥着一定的作用。因此,200%被认为是提高效率的理论极限。”

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的纳米孔的直径和排布。然后,他们在计算机模拟中分析了各种孔图案的光吸收率。他们发现,对于周期性排列的单尺寸纳米孔,不同直径的无序孔(如黑蝶中发现的那些孔)在不同入射角度下在整个光谱上产生了最稳定的吸收率。因此,研究人员在薄膜光伏吸收器中引入了无序的定位孔,直径从133纳米到343纳米不等。

科学家们证明,通过去除材料可以大大提高光输出。在这个项目中,他们使用氢化非晶硅。据研究人员们介绍,任何类型的薄膜光伏技术都可以用这样的纳米结构来改善,也可以在工业上得到改善。

背景信息

薄膜PV模块代表了传统的晶体硅太阳能电池在经济上有吸引力的替代方案,因为光吸收层比一个指标薄1000个单位,因此降低了材料消耗。而且,薄层的吸收率低于晶体硅电池的吸收率。因此,它们被用在需要小功率的系统中,如袖珍计算器或手表。吸收率的提高将使薄膜电池更适用于大型应用,如屋顶上的光伏系统。

原文链接:

httpss://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=48634.php

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