昆蟲複眼啟發靈感,鈣鈦礦太陽能電池新設計由小見大

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 02 日 12:00 | 分類 光電科技 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly

精密排列而令人目眩的昆蟲複眼結構,為科學家啟發了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的新設計靈感!這種電池的光電轉換效率媲美矽晶太陽能電池,可惜尺寸較小、材質脆弱。現在,來自史丹佛大學的團隊試著將一堆微小的鈣鈦礦太陽能電池模仿複眼結構組裝成片,研究結果發現,支架不僅保護了脆弱的鈣鈦礦材料,還不會對光電轉換效果造成影響。



自 2009 年首次報導曝光以來,鈣鈦礦太陽能電池的光伏轉換效率在短短 7 年時間內,從 3.81% 躍升至 22.1%,幾乎媲美主流市場的矽晶太陽能電池,這一空前的效率成長速度刷新了全球紀錄。鈣鈦礦太陽能電池製程簡易,卻擁有和矽晶太陽能電池相比擬的光電轉換效率,因此外界十分看好未來發展潛力,去年在瑞士舉辦的世界經濟論壇 (WEF)曾將其列為未來改變人類生活的 10 大科技技術之一。

一群由英國萊斯特大學、諾丁漢大學和雪菲爾大學專家組成的研究團隊,月前也曾發表論文調查了現有光伏太陽能電池的優缺點,包括使用材料種類、製造難易度、生產成本,並對鈣鈦礦太陽能電池進行系統性的生命週期評估,考量其溫室氣體排放、污染和毒理學等,發現鈣鈦礦太陽能電池是環境中可持續使用性最高者,且能源投資回報率不到一年時間。

雖然鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率預計可到極限 31%,但自 2016 年後,研究電池效率增長的速度便放緩下來,鈣鈦礦太陽能電池目前主要需克服的缺點包括:缺乏妥善隔水的技術、需提升電池的安全性和長期穩定性,以及將電池尺寸做大,這對研究人員而言都是很艱鉅的挑戰。

支架結構保護脆弱的鈣鈦礦材料

而鈣鈦礦電池還有易衰退的重大缺點,其外部會受到水、溫度、氧、紫外線等影響而劣化,必須緊密封裝並隔上吸水材料。為了提高鈣鈦礦太陽能電池在極端環境中的耐受能力,史丹佛大學團隊最新研究便參考了昆蟲的複眼結構來保護脆弱的鈣鈦礦材料,這項創新設計將使電池外部就算碰到上述物理作用時,轉換效率也不會劣化。

蒼蠅的眼睛是由 4,000 個六邊形排列的感光體單元組成,每個小單元獨自看到局部影像,受到啟發,科學家將眾多微小的鈣鈦礦太陽能電池組裝在寬度只有 0.05 公分的六角形支架中,就像昆蟲複眼中的感光體。而支架的材料由一種廣泛用於微電子工業的廉價環氧樹脂(epoxy resin)製成,研究聯合負責人 Nicholas Rolston 表示,這種材料具有極高抗拉強度,更能抵抗斷裂,研究期間進行的測試則顯示,支架對於鈣鈦礦的光電轉換效果幾乎沒有影響。

至於這項設計能否承受放到屋頂後的溫度與濕度?研究人員將鈣鈦礦電池暴露在攝氏 85 度和相對濕度 85% 的環境持續 6 週,發現在這種極端條件下,電池還是能以較高的效率發電。

目前研究人員已經提交了新技術的臨時專利,為了提高發電效率,他們還在加緊研究如何將光分散到每個電池的核心中。

(首圖來源:shutterstock)

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