受蝴蝶启发的光伏技术可将光吸收率提高多达200%

你现在的位置： > 首页 > 技术前沿 > 正文

受蝴蝶启发的光伏技术可将光吸收率提高多达200%

发布日期：2017/11/21

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。

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。

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。

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。

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,UliLemmer, Hendrik Hölscher.Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers.Science Advances,2017; 3 (10): e1700232 DOI: 10.1126/sciadv.1700232

来源：智物创新

[←返回]