【概要】將微小的太陽(yáng)能電池包裝在一起，可制成類似于昆蟲復(fù)合眼中的微透鏡，能夠幫助科學(xué)家解決鈣鈦礦光伏發(fā)展的主要障礙，可為新一代先進(jìn)的光伏發(fā)電奠基。

【圖注】在斷裂測(cè)試后填充鈣鈦礦的復(fù)合太陽(yáng)能電池中的支架。

在一項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用了昆蟲風(fēng)格的設(shè)計(jì)來保護(hù)脆弱的鈣鈦礦光伏材料，使其在它受到熱量，水分或機(jī)械應(yīng)力的影響時(shí)，不會(huì)過快惡化。此項(xiàng)研究的材料科學(xué)和工程教授Reinhold Dauskardt說：“鈣鈦礦是一種有前景的，低成本的材料，它可以將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，正如同傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池。但問題在于，鈣鈦礦材料極度的不穩(wěn)定和力學(xué)脆弱，它們幾乎無法在制造過程中幸存下來，更無法在環(huán)境中增長(zhǎng)使用壽命。”

大多數(shù)的太陽(yáng)能設(shè)備，如屋頂面板，均使用平面設(shè)計(jì)。但是這種方法在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板上就無法很好地工作。研究生Nicholas Rolston是E&ES研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，他說：“鈣鈦礦是我們實(shí)驗(yàn)室所測(cè)試過歷史上最脆弱的材料。鈣鈦礦的這種脆性，與鹽狀晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，其具有與食鹽相似的力學(xué)性能。”

蒼蠅的眼睛

為了應(yīng)對(duì)耐久性挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將研究思路轉(zhuǎn)向自然生物。Dauskardt解釋道：“我們受到飛行昆蟲復(fù)眼的啟發(fā)，那其中包含數(shù)百個(gè)細(xì)小的眼睛。它具有內(nèi)置美麗的蜂窩形狀，如果你失去一個(gè)部分，其他部分仍會(huì)運(yùn)行，每個(gè)部分都非常脆弱，它們?nèi)菀妆粐@著的腳手架墻所屏蔽。”

研究人員利用復(fù)眼制作了一種復(fù)合太陽(yáng)能電池，它由廣泛的鈣鈦礦微蜂窩蜂窩構(gòu)成，每個(gè)細(xì)胞囊封在寬度僅0.02英寸(500微米)的六邊形支架上。“腳手架是由一種廣泛用于微電子行業(yè)的廉價(jià)環(huán)氧樹脂制成的，”羅斯頓說，“它對(duì)力學(xué)應(yīng)力具有彈性，從而更不易斷裂。”

研究期間進(jìn)行的測(cè)試顯示，腳手架對(duì)鈣鈦礦將光轉(zhuǎn)換為電能的能力基本無影響。“我們從平板太陽(yáng)能電池獲得的每個(gè)小鈣鈦礦電池中都能獲得幾乎相同的功率轉(zhuǎn)換效率，”Dauskardt說，“因此，我們實(shí)現(xiàn)了大幅增加抗裂性，卻沒有損失轉(zhuǎn)換效率。”

耐久性

但是，新設(shè)備能否承受傳統(tǒng)屋頂太陽(yáng)能電池板的高熱高濕度呢?研究人員發(fā)現(xiàn)，將鈣鈦礦細(xì)胞暴露于185華氏度(85攝氏度)和85%相對(duì)濕度的溫度下放置6周，在這個(gè)極端的條件，該細(xì)胞仍繼續(xù)以較高的效率發(fā)電。

Dauskardt及其同事已經(jīng)提交了新技術(shù)的臨時(shí)專利。為了提高轉(zhuǎn)換效率，他們正在研究將支架上的光分散到每個(gè)電池的鈣鈦礦核心的新方法。“我們對(duì)這些結(jié)果感到非常興奮，”他說， “這是設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池的一種新方法，這些支架電池看起來也很酷，所以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可能會(huì)帶來一些有趣的審美角度。”E&ES研究的其他共同作者是斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者Brian Watson和Adam Printz。