导读

最近，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员从红珠凤蝶翅膀上纳米结构的“孔”中汲取灵感，成功地将这些纳米结构转移应用于太阳能电池，提高太阳能电池的光线吸收率达200%。这种纳米孔比起光滑的表面，吸收的光谱范围要宽得多。

关键字

太阳能、电池、仿生学

背景

作为新能源的代表，太阳能具有清洁、环境友好、可再生、易获取、低成本等优势。太阳能电池是人类利用太阳能的一个典型产品，传统的太阳能电池大多数采用晶体硅作为材料。

（图片来源于：维基百科）

然而，相对于传统的晶体硅太阳能电池，薄膜光伏模块是一个经济上颇具吸引力的替代品，因为它的光线吸收层可薄至1/1000，因此材料消耗大大降低。

（图片来源于：维基百科）

但是，这些薄层的光线吸收率要低于那些晶体硅太阳能电池。所以，他们在那些需要能量较少的系统中使用，例如袖珍计算器和手表。对于更大规模的应用例如屋顶上光伏系统来说，改善光线吸收率将使得薄膜太阳能电池变得更具吸引力。

然而，问题的关键在于：太阳能电池反射的太阳光，会作为未经使用的能量而浪费掉。

创新

之前，笔者已经介绍过多个“仿生学”相关的创新案例，例如昆虫复眼启发的钙钛矿太阳能电池单元和“复眼技术”摄像头、灵感来自“维生素”的成本高效率的新型电池、警报水母启发的新型电子皮肤、灵感来分形植物的石墨烯电极、蛾眼启发的新型手机薄膜。

这一次，科学家们再一次从大自然中获取灵感。红珠凤蝶（Pachliopta aristolochiae）是一种外表非常美丽的生物，翅膀上具有纳米结构的孔，简称“纳米孔”。这种纳米孔比起光滑的表面，吸收的光谱范围要宽得多。

（图片来源于：维基百科）

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员成功地将这些纳米结构转化为太阳能电池，这样将提高其光线吸收率达200%。

技术

卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所（IMT）的博士 Hendrik Hölscher 表示：

“我们研究的蝴蝶是深黑色的。这标志着它完美地吸收太阳光，以达到最佳的热量管理。比外表更迷人的是使它达到高的光线吸收率的机制。将这些结构转化为光伏电池（PV）所显示出来的优化能力，远远高于我们的期望。”

Hendrik Hölscher 和 Radwanul H. Siddique（之前在KIT，现在在Caltech）所在的科学家团队在薄膜太阳能电池的硅吸收层中，复制了蝴蝶的纳米结构。随后对于光线吸收率的分析结果非常有前景：比起光滑的表面，垂直的入射光的光线吸收率增加至97%，并且持续上升，在入射角为50度时达到207%。Hendrik Hölscher 表示：

“在欧洲的条件下，这是特别引人关注的。在垂直角度上，我们时常难以让漫反射光落到太阳能电池上。”

然而，这并不是顺理成章地暗示，整个光伏系统的效率都由相同的因素而提高。IMT 的 Guillaume Gomard 表示：

“其他组件也在发挥作用。因此，200%被认为是效率提高的理论极限。”

在将纳米结构转移到太阳能电池之前，研究人员通过扫描电子显微镜，确定了蝴蝶翅膀上纳米孔的直径和排列。然后，他们通过计算机仿真分析了各种洞图案的光线吸收率。相对于那些周期性组织的纳米孔，他们发现不同直径的无序孔，例如那些在黑蝴蝶中发现的，在跨越各种入射角的全光谱上，具有最稳定的光线吸收率。

（图片来源：Radwanul H. Siddique, KIT/Caltech）

因此，研究人员在薄膜光伏吸收器中引进了位置无序、直径在133纳米至343纳米之间的各种孔。科学家们展示，通过去除材料，光线输出能够大幅度提高。在这个项目中，他们的工作对象是氢化非晶硅。

价值

据研究人员称，任何类型的薄膜光伏技术都可以通过这种纳米结构进行改善，包括工业生产规模的。

参考资料

【1】https://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_153_butterfly-wing-inspires-photovoltaics-light-absorption-can-be-enhanced-by-up-to-200-percent.php

【2】Radwanul H. Siddique, Yidenekachew J. Donie, Guillaume Gomard, Sisir Yalamanchili, Tsvetelina Merdzhanova, Uli Lemmer, Hendrik Hölscher. Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers. Science Advances, 2017; 3 (10): e1700232 DOI: 10.1126/sciadv.1700232

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