微觀褶皺提高太陽(yáng)能電池的輸出功率和耐久性。 來(lái)源：普林斯頓大學(xué)

這個(gè)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(bào)道說(shuō)，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(shuō)，精細(xì)校準(zhǔn)的褶皺在電池板表面會(huì)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(lái)，”魯越臨說(shuō)，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(huì)帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)，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(duì)便宜的塑料制成。目前，太陽(yáng)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(shí)用，沒(méi)有廣泛使用，因?yàn)樗鼈兊哪芰可a(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(jià)，堅(jiān)韌和柔性的太陽(yáng)能發(fā)電材料。

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(shuō)。

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(kāi)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(yáng)能電池的功率。來(lái)源：加州大學(xué)

魯越臨說(shuō)，這種褶皺方法有望提高這些數(shù)字。因?yàn)檫@種技術(shù)適應(yīng)大多數(shù)塑料光伏材料類型，應(yīng)該會(huì)全面提升效率。

“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的工藝，你可以用任何材料，”她說(shuō)。“我們已經(jīng)用其他聚合物進(jìn)行了測(cè)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(shuō)，《自然•光子學(xué)》論文描述，電池板表面的褶皺會(huì)引導(dǎo)光波，穿過(guò)材料，方式上很像河槽疏導(dǎo)水流穿過(guò)農(nóng)田。研究人員使光線彎曲，穿過(guò)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(zhǎng)的時(shí)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。來(lái)源：普林斯頓大學(xué)

“我預(yù)計(jì)，這會(huì)增加光電流，因?yàn)轳薨櫟谋砻婧茴愃迫~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(shuō)，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(yáng)能電池時(shí)，它的效果比我預(yù)期的更好。”

雖然這一技術(shù)帶來(lái)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(zhǎng)的可見(jiàn)光波長(zhǎng)。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板效率大幅度下降，就是因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)增加，頻譜接近紅外光時(shí)，幾乎沒(méi)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。

光子流通量示意圖：光學(xué)堆積在平坦、皺褶和復(fù)合表面。來(lái)源：普林斯頓大學(xué)

“如果你看一下太陽(yáng)光譜就發(fā)現(xiàn)，有很多陽(yáng)光我們都浪費(fèi)了，”魯越臨說(shuō)。“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(shí)驗(yàn)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(guò)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(huì)產(chǎn)生最好的效果。

雖然這一過(guò)程背后的數(shù)學(xué)很復(fù)雜，但是，實(shí)際生產(chǎn)非常簡(jiǎn)單。魯越臨說(shuō)，這相當(dāng)實(shí)用，可用于工業(yè)領(lǐng)域。

“一切都取決于這一點(diǎn)，事實(shí)上，你可以重復(fù)形成這種細(xì)紋和褶皺，”魯越臨說(shuō)。“通過(guò)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(gè)好處是，這一工藝可以增加太陽(yáng)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(huì)減少70％。

魯越臨說(shuō)，研究人員是從葉片中取得他們的靈感。葉子看似簡(jiǎn)單的東西，其實(shí)是一項(xiàng)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(yáng)能可以被吸收，以創(chuàng)造能量和營(yíng)養(yǎng)素，供應(yīng)樹(shù)木。最近的研究是金品楠（Pilnam Kim）搞的，他是斯通實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shuō)，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)。”