前沿科技:昆虫的眼睛激发了新的太阳能电池设计

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斯坦福大学的科学家们表示，像昆虫复眼中的微透镜一样，将微小的太阳能电池封装在一起，可能会为新一代先进的光电技术铺平道路。

在一项新的研究中，斯坦福大学的研究小组采用了昆虫为灵感的设计，以保护一种名为钙钛矿(perovskite)的脆弱光伏材料，使其在高温、潮湿或机械压力下不会变质。研究结果发表在《能源与环境》杂志上。环境科学(E& ES)。

“钙钛矿是一种很有前途的低成本材料，可以像传统的硅太阳能电池一样有效地将阳光转化为电能，”材料科学与工程教授、该研究的资深作者Reinhold Dauskardt说。“问题是钙钛矿非常不稳定，在机械上也很脆弱。它们很难在制造过程中存活下来，更不用说在环境中长期耐用了。”

大多数太阳能设备，如屋顶板，采用平面设计。但这种方法并不适用于钙钛矿太阳能电池。

“钙钛矿是我们实验室历史上测试过的最脆弱的材料，”研究生尼古拉斯·罗尔斯顿(Nicholas Rolston)说，他是这项E&ES研究的主要作者之一。“这种易碎性与钙钛矿易碎的盐状晶体结构有关，钙钛矿的机械性能类似于食盐。”

蝇眼

为了应对耐久性的挑战，斯坦福大学的团队转向了大自然。

“我们的灵感来自于苍蝇的复眼，它由数百个微小的分段眼组成，”Dauskardt解释道。“它有一个美丽的蜂窝形状，内置冗余:如果你失去一个部分，其他数百个将会运作。每个部分都很脆弱，但周围有一堵脚手架墙保护着。”

以复眼为模型，研究人员创造了一个复合太阳能电池，它由一个巨大的钙钛矿微蜂窝组成，每个微蜂窝封装在一个只有0.02英寸(500微米)宽的六边形支架中。

“这种支架是由廉价的环氧树脂制成的，广泛应用于微电子工业，”Rolston说。“它对机械应力有很强的弹性，因此更能抵抗断裂。”

在研究期间进行的测试显示，脚手架对钙钛矿将光转化为电的能力几乎没有影响。

Dauskardt说:“我们从每个小钙钛矿电池中得到的能量转换效率几乎与从平面太阳能电池中得到的一样。”“因此，我们在不影响效率的情况下实现了抗断裂性的大幅提高。”

耐用性

但是，这种新设备能承受传统屋顶太阳能电池板所承受的那种高温和湿度吗?

为了找到答案，研究人员将封装好的钙钛矿细胞暴露在185华氏度(85摄氏度)和85%相对湿度的环境中6周。尽管有这些极端的条件，这些电池仍然以相对较高的效率发电。

道斯卡尔特和他的同事已经为这项新技术申请了临时专利。为了提高效率，他们正在研究将支架上的光散射到每个细胞的钙钛矿核心的新方法。

“我们对这些结果感到非常兴奋，”他说。“这是设计太阳能电池的一种新思路。这些支架细胞看起来也很酷，所以在现实世界中有一些有趣的美学可能性。”