斯坦福大学科学家为超薄、轻型太阳能电池板开发的新型光伏材料

来源:未知       编辑:亚搏体育全站app
2021-12-31 18:54
过渡金属二硫属化物太阳能电池
柔性聚酰亚胺基板上的过渡金属二硫属化物太阳能电池。


新型超薄光伏材料最终可用于移动应用,从自供电的可穿戴设备和传感器到轻型飞机和电动汽车。

太阳能工程领域正在进行一场竞赛,以创造几乎不可能的薄而灵活的太阳能电池板。工程师想象它们用于移动应用,从自供电的可穿戴设备和传感器到轻型飞机和电动汽车。在这种背景下,斯坦福大学的研究人员在一组有前途的光伏材料中取得了创纪录的效率。

与其他太阳能材料相比,这些过渡金属二硫属化物(或 TMD)的主要优势在于它们吸收了照射在其表面的超高水平的阳光。

 

斯坦福大学电气工程博士生、论文的共同主要作者库沙·纳西里·纳西夫 (Koosha Nassiri Nazif) 说:“想象一下,一架自主无人机在机翼顶部安装了一个太阳能电池阵列,比一张纸薄 15 倍。” 《自然通讯》12 月 9 日版“这是 TMD 的承诺。”

过渡金属二硫属化物太阳能电池示意图
装置的横截面示意图。


寻找新材料是必要的,因为太阳能材料中的王者硅对于柔性、轻量和高功率尤为突出的应用而言过于沉重、笨重和刚性,例如可穿戴设备和传感器或航空航天和电动汽车。

“如今,硅占太阳能市场的 95%,但它远非完美。我们需要重量轻、可弯曲且坦率地说更环保的新材料,”电气工程教授、该论文的资深作者克里希纳·萨拉斯瓦特 (Krishna Saraswat) 说。

一个有竞争力的选择

尽管 TMD 前景广阔,但迄今为止的研究实验一直难以将它们吸收的 2% 以上的阳光转化为电能。对于硅太阳能电池板,这个数字接近 30%。要被广泛使用,TMD 必须缩小这一差距。

新的斯坦福原型实现了 5.1% 的功率转换效率,但作者预计,通过光学和电气优化,它们实际上可以达到 27% 的效率。这个数字与当今市场上最好的太阳能电池板相当,包括硅。

克里希纳·萨拉斯瓦特和库沙·纳西里·纳齐夫
斯坦福电气工程教授 Krishna Saraswat(左)和博士生 Koosha Nassiri Nazif。


此外,该原型机实现了任何尚未开发的 TMD 的 100 倍功率重量比。该比率对于无人机、电动汽车等移动应用以及在移动中为远征设备充电的能力非常重要。在查看比功率(衡量太阳能电池每单位重量的电功率输出的量度)时,原型产生每克 4.4 瓦的功率,这一数字可与当今其他薄膜太阳能电池(包括其他实验原型)相媲美。

“我们认为我们可以通过优化将这个关键比率再增加十倍,”Saraswat 说,并补充说他们估计他们的 TMD 电池的实际极限是每克 46 瓦。

附加优势

然而,它们最大的好处是其显着的薄度,这不仅最大限度地减少了材料使用和成本,而且使 TMD 太阳能电池重量轻且灵活,能够模制成不规则的形状——汽车车顶、飞机机翼或人体。斯坦福团队能够生产出只有几百纳米厚的有源阵列。该阵列包括光伏 TMD 二硒化钨和由一层仅单个原子的导电石墨烯跨越的金触点所有这些都夹在柔软的皮肤状聚合物和可改善光吸收的抗反射涂层之间。

完全组装后,TMD 电池的厚度不到 6 微米——大约相当于一个轻型办公室垃圾袋的厚度。需要 15 层才能达到一张纸的厚度。

虽然薄、轻和柔韧性本身都是非常理想的目标,但 TMD 还具有其他工程优势。从长远来看,它们是稳定可靠的。与薄膜牙冠的其他挑战者不同,TMD 不含有毒化学物质。它们还具有生物相容性,因此它们可用于需要与人体皮肤或组织直接接触的可穿戴应用。

充满希望的未来

TMD 的许多优点被某些缺点抵消,主要是在大规模生产的工程复杂性方面。将超薄 TMD 层转移到柔性支撑材料的过程通常会损坏 TMD 层。

Alwin Daus 是与 Nassiri Nazif 研究的共同主要作者,他设计了将薄 TMD 太阳能电池阵列固定到柔性基板上的转移过程。他说这个技术挑战是相当大的。Daus 解释说,其中一个步骤是将原子级薄的石墨烯层转移到只有几微米厚的柔性基板上,他在进行这项研究时是斯坦福大学 Eric Pop 研究小组的博士后学者。现为德国亚琛工业大学高级研究员。

这种复杂的工艺使 TMD 完全嵌入柔性基板中,从而提高了耐用性。研究人员通过将它们弯曲在不到三分之一英寸厚的金属圆柱体周围来测试其设备的灵活性和稳健性。

“强大、灵活且耐用的 TMD 是太阳能技术的一个有前途的新方向,”Nassiri Nazif 总结道。






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