科学家仿效蝴蝶翅膀结构开发高效太阳能电池

来源:钜大LARGE    2018-03-12    点击量: 252
  近日, 德国联邦教研部(BMBF)近日宣布,在其资助下的卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研究人员发现了能高效提升太阳能电池吸光率的新途径,即通过仿效蝴蝶翅膀结构,可开发高效太阳能电池。新型电池的吸光率最高可提升207%。
 
  通常,在欧洲的气候条件下,太阳光大多被散射,很少垂直照到太阳能电池板上。优化光捕捉成为能量转换的基石。KIT的研究人员观察一种凤蝶(Pachliopta aristolochiae),发现其显著特点是通体呈深黑色,因此吸光能力很好,很适宜于为自身获取热量。尤其是这种蝴蝶的翅膀表面为纳米结构,其微小的空洞结构较平滑表面显著增大对光的吸收范围。
 
  仿效这种纳米结构生产太阳能电池,在光线垂直照射时吸光率可提升97%,而当入射角度为50度时甚至能够达到207%。用于太阳能电池的蝴蝶纳米结构是通过计算机模拟优化来实现的。
 
  由于具有比传统晶体太阳能电池还要轻、易于延展等优点,越来越多科学家开始将目光集中在薄膜太阳能电池上,去年年底,美国加州理工学院团队更透过模仿一种蝴蝶翅膀的结构,提高了薄膜太阳能电池的效率,应用在电池板上的话,可比传统的太阳能电池板吸收多2~3倍的阳光量,吸收光照的时间也可拉长。
 
  这种蝴蝶称为红珠凤蝶(Pachlioptaaristolochiae),别名七星蝶、红纹凤蝶、红腹凤蝶,广泛分布于东亚地区,包括中国台湾地区、巴基斯坦、印度、尼泊尔、斯里兰卡、缅甸、泰国、越南,柬埔寨、印尼、菲律宾、马来西亚等地,特征为体背黑色,腹部侧面及尾端密生红毛,前、后翅呈黑色,翅脉、脉纹及翅缘呈灰白或棕褐色等。
 
  研究作者RadwanSiddique说,他偶然发现了蝴蝶翅膀上随机分布着尺寸、形状都不规则的晶格结构,于寒冷的季节中帮助蝴蝶调节并保存体温,因此引发他的兴趣。将标本放在电子显微镜下扫描后,他看到这些纳米晶格结构的开口小于1微米,可以不同的角度散射和吸收不同波长的光,也因此,这种蝴蝶翅膀的颜色才比其他种类还要黑。
 
  多数太阳能电池板上的晶体电池须以一定角度定位,好直面太阳以产生最多的能量,且一天当中只有几个小时可以产生电力,但将这种蝴蝶翅膀的小孔结构应用到薄膜太阳能电池后,由于小孔大大增加了光从极端角度照进来的吸收量,因此较之前的太阳能电池板吸收高出2~3倍的光,且接收阳光的时间也拉长了,电力可以产出更多。
 
  以往,薄膜太阳能电池因效率较低,多应用于手表等小型电子产品上,现在只要在电池上多加几个不规则小孔,就能创造出一种更便宜且可扩展的高效薄膜太阳能电池板,更重要的,创造这些小孔的过程非常容易,只要5~10分钟就大功告成。
 
  科学家借用昆虫的身体构造来改进太阳能电池,之前有斯坦福大学团队取材昆虫的复眼结构研发新钙钛矿太阳能电池,有美国国家实验室效法蛾的眼睛设计纳米分层结构的太阳能板,还有加州理工学院团队利用蝴蝶翅膀上的构造来提升薄膜太阳能电池的效率。
 
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