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美國麻省理工學院(MIT)的研究人員們正致力于打造出世界上最輕薄的太陽能電池設(shè)計，并期望以此推動太陽能電池研究的另一個新發(fā)展方向。
根據(jù)研究人員們表示，盡管目前的太陽能電池設(shè)計多半追求以最低的成本實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，然而卻常忽略了在輕薄尺寸方面的要求。然而，對于行動電子設(shè)備而言，輕與薄一向是最主要的設(shè)計目標，而太陽能電池設(shè)計一向強調(diào)的是高轉(zhuǎn)換效率。
如今，根據(jù)MIT表示，既輕且薄的太陽能電池設(shè)計，在航空、太空等應(yīng)用以及運輸成本高的偏遠地區(qū)已經(jīng)越來越受歡迎了。未來，隨著材料變得越來越稀少，采用超輕薄太陽能電池可實現(xiàn)對于自然資源的保護，甚至能降低安裝成本。
MIT教授Jeffrey Grossman：「至于如何才可能成為最薄的太陽電池呢？我們的預(yù)測是只用兩層材料的電池設(shè)計?！笿effrey Grossman與博士后研究員Marco Bernardi，以及羅馬大學客座研究員Maurizia Palummo共同合作進行這項研究。
Grossman進一步解釋，「目前的確有許多應(yīng)用都必須考慮到重量，因此盡可能采用最薄的主動層材料以及最小化封裝，從而帶來更薄、更耐用的基板，那么最終將改變整個安裝方式。此外，這還大助于解決一個核心問題：我們究竟能從特定材料的每個原子或鍵結(jié)中省下多少功耗？」
MIT研究人員用電腦模擬各種不同材料，以期找到最輕薄的太陽能電池組合。（來源：MIT）
MIT估計，其超薄型太陽能電池薄膜──基本上是厚度約1奈米的 2D 薄層──比傳統(tǒng)太陽能電池更節(jié)能1,000倍以上。但其缺點是效率較低，且需要較現(xiàn)有太陽能電池更多10倍的面積，才能產(chǎn)生相同量的能量，因為超薄太陽能電池效率約為2%，而傳統(tǒng)太陽能電池(PC)則可實現(xiàn)高達20%的效率。然而，研究人員已經(jīng)計劃采用堆疊超薄2D太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)，以提高其效率。
Grossman說：「我們預(yù)測的兩層堆疊可能達到1-2%的效率，但當然也可能堆疊到兩層以上，因而能提高效率。由2D材料制作的電池效率應(yīng)該也能達到像目前『傳統(tǒng)』PV約10-20%的效率?！?/span>
研究人員們?nèi)栽谀M原型設(shè)計所用的超薄太陽能電池材料。透過精密的模擬過程，各種拓撲結(jié)構(gòu)的層疊片材使用了原子石墨烯薄膜、二硫化鉬與二硒化物。這些設(shè)計的優(yōu)點在于不僅較傳統(tǒng)太陽能電池更具輕薄的優(yōu)勢，同時也不受氧化、紫外線輻射和環(huán)境中水分的影響──這三者通常是傳統(tǒng)太陽能電池長期穩(wěn)定性的殺手。此外，相較于傳統(tǒng)PV安裝，由于新式超薄設(shè)計不需采用玻璃罩或冷卻安裝，因而可節(jié)省一半以上的成本。
Bernardi說：「超輕薄太陽能電池可望降低安裝成本。目前基于矽晶的太陽能電池模組已經(jīng)很重了，加上保護玻璃后更重。目前太陽能電池陣列占整個安裝成本的60%，主要都是由于重量造成的。因此，為了實現(xiàn)更輕的太陽能電池，我們期望能找到一種超輕薄的機械可撓性材料，使其可用塑料封裝來取代玻璃材料，以便為太陽能電池安裝建立新方向?！?/span>
相較于傳統(tǒng)太陽能電池，超薄太陽能電池的材料成本可望大幅降低。但研究人員還未能在實驗室中建立這一原型，因而也無法讓材料實現(xiàn)量產(chǎn)。接下來，研究人員們打算開始在實驗室針對各種不同的材料配方與堆疊結(jié)構(gòu)測量其效率與長期穩(wěn)定性。
根據(jù)研究人員們表示，盡管目前的太陽能電池設(shè)計多半追求以最低的成本實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，然而卻常忽略了在輕薄尺寸方面的要求。然而，對于行動電子設(shè)備而言，輕與薄一向是最主要的設(shè)計目標，而太陽能電池設(shè)計一向強調(diào)的是高轉(zhuǎn)換效率。
如今，根據(jù)MIT表示，既輕且薄的太陽能電池設(shè)計，在航空、太空等應(yīng)用以及運輸成本高的偏遠地區(qū)已經(jīng)越來越受歡迎了。未來，隨著材料變得越來越稀少，采用超輕薄太陽能電池可實現(xiàn)對于自然資源的保護，甚至能降低安裝成本。
MIT教授Jeffrey Grossman：「至于如何才可能成為最薄的太陽電池呢？我們的預(yù)測是只用兩層材料的電池設(shè)計?！笿effrey Grossman與博士后研究員Marco Bernardi，以及羅馬大學客座研究員Maurizia Palummo共同合作進行這項研究。
Grossman進一步解釋，「目前的確有許多應(yīng)用都必須考慮到重量，因此盡可能采用最薄的主動層材料以及最小化封裝，從而帶來更薄、更耐用的基板，那么最終將改變整個安裝方式。此外，這還大助于解決一個核心問題：我們究竟能從特定材料的每個原子或鍵結(jié)中省下多少功耗？」
MIT研究人員用電腦模擬各種不同材料，以期找到最輕薄的太陽能電池組合。（來源：MIT）
MIT估計，其超薄型太陽能電池薄膜──基本上是厚度約1奈米的 2D 薄層──比傳統(tǒng)太陽能電池更節(jié)能1,000倍以上。但其缺點是效率較低，且需要較現(xiàn)有太陽能電池更多10倍的面積，才能產(chǎn)生相同量的能量，因為超薄太陽能電池效率約為2%，而傳統(tǒng)太陽能電池(PC)則可實現(xiàn)高達20%的效率。然而，研究人員已經(jīng)計劃采用堆疊超薄2D太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)，以提高其效率。
Grossman說：「我們預(yù)測的兩層堆疊可能達到1-2%的效率，但當然也可能堆疊到兩層以上，因而能提高效率。由2D材料制作的電池效率應(yīng)該也能達到像目前『傳統(tǒng)』PV約10-20%的效率?！?/span>
研究人員們?nèi)栽谀M原型設(shè)計所用的超薄太陽能電池材料。透過精密的模擬過程，各種拓撲結(jié)構(gòu)的層疊片材使用了原子石墨烯薄膜、二硫化鉬與二硒化物。這些設(shè)計的優(yōu)點在于不僅較傳統(tǒng)太陽能電池更具輕薄的優(yōu)勢，同時也不受氧化、紫外線輻射和環(huán)境中水分的影響──這三者通常是傳統(tǒng)太陽能電池長期穩(wěn)定性的殺手。此外，相較于傳統(tǒng)PV安裝，由于新式超薄設(shè)計不需采用玻璃罩或冷卻安裝，因而可節(jié)省一半以上的成本。
Bernardi說：「超輕薄太陽能電池可望降低安裝成本。目前基于矽晶的太陽能電池模組已經(jīng)很重了，加上保護玻璃后更重。目前太陽能電池陣列占整個安裝成本的60%，主要都是由于重量造成的。因此，為了實現(xiàn)更輕的太陽能電池，我們期望能找到一種超輕薄的機械可撓性材料，使其可用塑料封裝來取代玻璃材料，以便為太陽能電池安裝建立新方向?！?/span>
相較于傳統(tǒng)太陽能電池，超薄太陽能電池的材料成本可望大幅降低。但研究人員還未能在實驗室中建立這一原型，因而也無法讓材料實現(xiàn)量產(chǎn)。接下來，研究人員們打算開始在實驗室針對各種不同的材料配方與堆疊結(jié)構(gòu)測量其效率與長期穩(wěn)定性。
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