昆虫复眼启发灵感,钙钛矿太阳能电池新设计由小见大

作者 | 发布日期 2017 年 09 月 02 日 16:52 | 分类 光电科技 , 电池 , 能源科技
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【Technews科技新报】精密排列而令人目眩的昆虫复眼结构,为科学家启发了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的新设计灵感!这种电池的光电转换效率媲美硅晶太阳能电池,可惜尺寸较小、材质脆弱。现在,来自斯坦福大学的团队试着将一堆微小的钙钛矿太阳能电池模仿复眼结构组装成片,研究结果发现,支架不仅保护了脆弱的钙钛矿材料,还不会对光电转换效果造成影响。



自 2009 年首次报导曝光以来,钙钛矿太阳能电池的光伏转换效率在短短 7 年时间内,从 3.81% 跃升至 22.1%,几乎媲美主流市场的硅晶太阳能电池,这一空前的效率成长速度刷新了全球纪录。钙钛矿太阳能电池制程简易,却拥有和硅晶太阳能电池相比拟的光电转换效率,因此外界十分看好未来发展潜力,去年在瑞士举办的世界经济论坛 (WEF)曾将其列为未来改变人类生活的 10 大科技技术之一。

一群由英国莱斯特大学、诺丁汉大学和雪菲尔大学专家组成的研究团队,月前也曾发布论文调查了现有光伏太阳能电池的优缺点,包括使用材料种类、制造难易度、生产成本,并对钙钛矿太阳能电池进行系统性的生命周期评估,考量其温室气体排放、污染和毒理学等,发现钙钛矿太阳能电池是环境中可持续使用性最高者,且能源投资回报率不到一年时间。

虽然钙钛矿太阳能电池的光电转换效率预计可到极限 31%,但自 2016 年后,研究电池效率增长的速度便放缓下来,钙钛矿太阳能电池目前主要需克服的缺点包括:缺乏妥善隔水的技术、需提升电池的安全性和长期稳定性,以及将电池尺寸做大,这对研究人员而言都是很艰钜的挑战。

(Source:Lawrence Livermore National Laboratory

支架结构保护脆弱的钙钛矿材料

而钙钛矿电池还有易衰退的重大缺点,其外部会受到水、温度、氧、紫外线等影响而劣化,必须紧密封装并隔上吸水材料。为了提高钙钛矿太阳能电池在极端环境中的耐受能力,斯坦福大学团队最新研究便参考了昆虫的复眼结构来保护脆弱的钙钛矿材料,这项创新设计将使电池外部就算碰到上述物理作用时,转换效率也不会劣化。

苍蝇的眼睛是由 4,000 个六边形排列的感光体单元组成,每个小单元独自看到局部影像,受到启发,科学家将众多微小的钙钛矿太阳能电池组装在宽度只有 0.05 公分的六角形支架中,就像昆虫复眼中的感光体。而支架的材料由一种广泛用于微电子工业的廉价环氧树脂(epoxy resin)制成,研究联合负责人 Nicholas Rolston 表示,这种材料具有极高抗拉强度,更能抵抗断裂,研究期间进行的测试则显示,支架对于钙钛矿的光电转换效果几乎没有影响。

至于这项设计能否承受放到屋顶后的温度与湿度?研究人员将钙钛矿电池暴露在摄氏 85 度和相对湿度 85% 的环境持续 6 周,发现在这种极端条件下,电池还是能以较高的效率发电。

目前研究人员已经提交了新技术的临时专利,为了提高发电效率,他们还在加紧研究如何将光分散到每个电池的核心中。

(首图来源:Pixabay

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