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

(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。

(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“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。

(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 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。


(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】https://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


了解更多前沿技术文章,请点击“阅读原文”。咨询和交流,请联系微信:JohnZh1984。