导读


最近,美国斯坦福大学的研究团队受到昆虫复眼启发,将微型钙钛矿太阳能电池单元组织在一起,形成一种蜂窝状结构,防止钙钛矿材料受到湿、热或者机械应力影响时性能出现退化,提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性和耐用性。


关键字

钙钛矿太阳能电池材料


背景


钙钛矿型材料,具有极佳的光电特性,例如强大的光线吸收能力以及电荷传输能力,因此最近成为了科学界与产业界关注的热点。之前,笔者也在多篇文章中介绍过钙钛矿的技术进展,以及在太阳能电池数据存储设备可见光通信等方面的一些应用。


但是,正如今天要介绍的创新技术的论文作者之一、斯坦福大学材料科学和工程专业教授、论文的资深作者 Reinhold Dauskardt 所说:


“钙钛矿是一种很有前途的低成本材料,它将太阳光转化为电能,且效率可以与传统的硅基太阳能电池相媲美。可问题是,钙钛矿非常不稳定,而且物理上很易碎。他们很难在制造过程中存活下来,更不用说在环境中持久耐用了。”


对于钙钛矿太阳能电池的“稳定性和耐用性”问题,笔者曾在《钙钛矿技术新进展:改善太阳能电池和LED应用!》一文中,介绍过日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)一项创新研究进展:他们给太阳能电池又额外添加了一层,这一层由聚合物制成,可以防止氧化钛层和钙钛矿层之间的直接接触,从而有效地保护了钙钛矿结构,延长了钙钛矿太阳能电池的寿命。

(图片来源:美国化学会)


创新


为了突破钙钛矿太阳能电池稳定性和耐用性差这一关键瓶颈,我们今天再介绍美国斯坦福大学研究团队的一项最新研究成果,他们的设计灵感来源于昆虫复眼


仿造昆虫复眼中的“小眼面”,科学家们将微型太阳能电池单元组织在一起,形成一种蜂窝状结构,防止易碎的光伏材料“钙钛矿”在受到湿、热或者机械应力的影响时,性能出现退化。

(图片来源:Dauskardt Lab/斯坦福大学)

这项研究发表于《能源与环境科学》 (E&ES)期刊。


技术


大多数太阳能设备,例如屋顶的太阳能板,采用的是一种平面结构的设计。

(图片来源:维基百科)

然而,这种方案对于钙钛矿太阳能电池来说,效果并不好。这与钙钛矿材料本身有着很大的关系,论文的合作领导作者、研究生 Nicholas Rolston 表示:


钙钛矿是我们实验室测试过的最易碎的材料。这种易碎性与钙钛矿易碎的盐类晶体结构相关,它的机械特性类似于食盐。”


为了应对耐久性方面的挑战,斯坦福大学的团队从大自然中寻找灵感,他们想到了昆虫的复眼。

(图片来源:Thomas Shahan/CC

关于复眼,之前读过笔者文章的朋友一定不会陌生。笔者曾在《“复眼技术”摄像头:让智能手机未来变得更薄!》一文中介绍过复眼和复眼技术。复眼技术,作为一项仿生学技术,目前已经应用于运动目标的监控等多个领域,其中包括自动目标识别(ATR)技术,例如美国的反卫星武器研究,法国的机器人视觉系统研究中都利用过此项技术。


同时,在那篇文章中还重点介绍了一个非常有意思的应用案例:德国科学家模仿昆虫复眼,开发出“小眼视觉”摄像头,使得智能手机摄像头部分变得更薄,从而使得手机整体变得更美观。


那么,复眼对于改善钙钛矿电池的稳定性和耐用性又提供了什么灵感?


Dauskardt 解释如下:


“我们受到了由几百个小眼面组成的飞虫复眼的启发。它具有美丽的蜂窝状结构,且内置多余度:如果你失去一个小眼面,其他几百个照样可以工作。虽然每个小眼面都十分脆弱,但是它被周围的支架墙保护起来。”

因此,研究人员使用复眼作为模型,设计出一种复合的太阳能电池,这是一种由钙钛矿微型太阳能电池组成的巨大蜂窝结构,每个微型太阳能电池都密封在一个六角形的支架(宽度仅500微米)内部。Rolston 表示:


“支架由广泛应用于微电子工业的廉价的环氧树脂制成。它可以抵抗机械应力,所以对于断裂的抵抗性更强。”


(图片来源:Dauskardt Lab/斯坦福大学)


研究期间的测试显示,支架材料对于钙钛矿将光线转化为电力的性能影响很小。Dauskardt 表示:


“对于每个微型钙钛矿电池来说,我们得到了与平面太阳能电池几乎同样的能量转化效率。所以,我们在极大提升抗断裂性的同时,也不会牺牲效率。”


但是,这种新设备可以承受得住传统的屋顶太阳能板所能承受的高温和湿度吗?


为此,研究人员将密封的钙钛矿电池暴露于185华氏度(85摄氏度)的高温和85%的相对湿度条件下达6周。尽管处于这样的极端条件下,电池仍然能够以相对较高的效率产生电力。


价值

(图片来源:Dauskardt Lab/斯坦福大学)


这项研究的价值非常明显,它在保证钙钛矿太阳能电池效率的同时,提高了其稳定性和耐用性,将为新一代的高级光伏系统铺平道路。


Dauskardt 及其同事们已经为这项新技术申请了一个临时专利。为了提高效率,他们正在研究新的方法,将光线从支架散射到每个电池的钙钛矿核心。他说:


“我们对于这些结果感到非常兴奋。这是一种设计太阳能电池的新思路。这些支架单元看上去也非常酷,所以在现实世界的应用中,还会存在一些有意思的美学可能性。”


参考资料


【1】http://news.stanford.edu/2017/08/31/new-solar-cell-inspired-insect-eyes/

【2】http://dx.doi.org/10.1039/C7EE02185B



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灵感来自昆虫复眼!新型钙钛矿电池设计独具匠心
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