研究人員模仿不起眼的葉子，在光伏材料表面制成微觀褶皺，顯著提高了輸出功率，他們采用的是柔性、低成本太陽能電池。
這個研究小組是普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的，他們的成果4月22日在線發(fā)表在《自然•光子學(xué)》上，題為《細(xì)紋和深皺褶用作光伏材料的光子結(jié)構(gòu)》（Wrinkles and deep folds as photonic structures in photovoltaics），報道說，褶皺使發(fā)電量增加了47％。魯越臨（Yueh-Lin （Lynn） Loo）是首席研究員，他說，精細(xì)校準(zhǔn)的褶皺在電池板表面會疏導(dǎo)光波，提高光伏材料的暴光量。
“在平面上，光線或者被吸收，或者被反射回來，”魯越臨說，他是普林斯頓大學(xué)化學(xué)和生物工程教授。“添加這些曲線，我們就創(chuàng)造了一種波導(dǎo)。這會帶來更多的機(jī)會，使光被吸收。”
研究小組工作中使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是用相對便宜的塑料制成。目前，太陽能電池板通常是用硅制作，既脆弱，也比塑料昂貴。到目前為止，塑料電池板還不實用，沒有廣泛使用，因為它們的能量生產(chǎn)太低。但是，研究人員一直在增加這一效率，目標(biāo)是創(chuàng)造一種廉價，堅韌和柔性的太陽能發(fā)電材料。
微觀褶皺提高太陽能電池的輸出功率和耐久性
如果研究人員可以增加塑料電池板的效率，那這種材料發(fā)電，就可以采用表面陣列，可以采用插入窗口的電池板，也可以覆蓋在外墻上或背包上。
“這是柔性的，可彎曲，重量輕，成本低，”魯越臨說。
在大多數(shù)情況下，研究人員都是集中增加塑料光伏材料本身的效率。最近的進(jìn)展很有希望：加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究小組發(fā)布一種系統(tǒng)，具有10.6％的效率。這就是接近10％至15％的水平，被視為瞄準(zhǔn)商用的開發(fā)。
金鐘福（Jong Bok Kim）屬于研究小組，他發(fā)現(xiàn)，微觀褶皺可顯著提高太陽能電池的功率
魯越臨說，這種褶皺方法有望提高這些數(shù)字。因為這種技術(shù)適應(yīng)大多數(shù)塑料光伏材料類型，應(yīng)該會全面提升效率。
“這是一個非常簡單的工藝，你可以用任何材料，”她說。“我們已經(jīng)用其他聚合物進(jìn)行了測試，效果很好。”
金鐘福是化學(xué)和生物工程博士后研究員，也是論文的首席作者，他解釋說，《自然•光子學(xué)》論文描述，電池板表面的褶皺會引導(dǎo)光波，穿過材料，方式上很像河槽疏導(dǎo)水流穿過農(nóng)田。研究人員使光線彎曲，穿過材料，基本上可以捕捉光線，使進(jìn)入光伏材料內(nèi)部，停留一段較長的時間，從而更多地吸光和發(fā)電。
細(xì)紋向褶皺的結(jié)構(gòu)演變
“我預(yù)計，這會增加光電流，因為褶皺的表面很類似葉子的形態(tài)，葉子這種自然系統(tǒng)具有很高的捕光效率，”金鐘福說，他是化學(xué)和生物工程博士后研究員。“然而，當(dāng)我真正在褶皺表面制成太陽能電池時，它的效果比我預(yù)期的更好。”
雖然這一技術(shù)帶來整體的效率提升，但是，效果尤其顯著的是在紅光部分光譜，具有最長的可見光波長。傳統(tǒng)的太陽能電池板效率大幅度下降，就是因為光的波長增加，頻譜接近紅外光時，幾乎沒有光可吸收。但是，褶皺技術(shù)可以增加這端光譜的吸收，約增加600％，這是研究人員發(fā)現(xiàn)的。
“如果你看一下太陽光譜就發(fā)現(xiàn)，有很多陽光我們都浪費(fèi)了，”魯越臨說。“這是一種方法，可以提高效率。”
在機(jī)械和航空航天工程系霍華德•斯通（Howard Stone）實驗室，研究小組創(chuàng)造了這種皺褶表面，他們仔細(xì)加工了一層液體感光膠粘劑，是采用紫外線進(jìn)行固化。通過控制不同部分膠粘劑的固化速度，研究小組就可以把應(yīng)力引入材料中，在表面生成波紋。較淺的波紋算作細(xì)紋，較深的被稱為褶皺。研究小組發(fā)現(xiàn)，表面兼有細(xì)紋和褶皺，會產(chǎn)生最好的效果。
雖然這一過程背后的數(shù)學(xué)很復(fù)雜，但是，實際生產(chǎn)非常簡單。魯越臨說，這相當(dāng)實用，可用于工業(yè)領(lǐng)域。
“一切都取決于這一點(diǎn)，事實上，你可以重復(fù)形成這種細(xì)紋和褶皺，”魯越臨說。“通過控制應(yīng)力，我們就可以引入或多或少的細(xì)紋和褶皺。”
另一個好處是，這一工藝可以增加太陽能電池板的耐用性，減輕彎曲的機(jī)械應(yīng)力。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池板采用褶皺表面，彎曲后仍然可以保持有效性。標(biāo)準(zhǔn)的塑料電池板的能量生產(chǎn)，彎曲后會減少70％。
魯越臨說，研究人員是從葉片中取得他們的靈感。葉子看似簡單的東西，其實是一項神奇的天然工程。它的綠色表面構(gòu)造完美，可彎曲和控制光線，確保最大量的太陽能可以被吸收，以創(chuàng)造能量和營養(yǎng)素，供應(yīng)樹木。最近的研究是金品楠（Pilnam Kim）搞的，他是斯通實驗室的博士后研究員，他深入研究的，是如何用這些微觀結(jié)構(gòu)合成一些裝置。
“如果你非常細(xì)致地觀察葉子，就會發(fā)現(xiàn)，它們并不平滑，它們有各種各樣的結(jié)構(gòu)，”魯越臨說，他也是普林斯頓大學(xué)安德林格能源與環(huán)境中心（Andlinger Center for Energy and the Environment）副主任。“我們想模仿這些幾何效應(yīng)，合成人造捕光系統(tǒng)。”
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