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透明太陽(yáng)能電池板可將窗戶變成能源收集器

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:843次  |  2021年10月15日  

美國(guó)密歇根州立大學(xué)(MSU)的一組研究人員開(kāi)發(fā)出一種完全透明的太陽(yáng)能電池板,這一突破可以應(yīng)用在建筑領(lǐng)域以及移動(dòng)電子或汽車(chē)行業(yè)等其他領(lǐng)域。


趙一木(音)專(zhuān)家舉起透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器模塊–攝影:趙一木


MSU團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種透明的太陽(yáng)能電池板(TLSC),可以將其放置在窗戶或任何其他透明表面上。聚光器可以收集太陽(yáng)能而不會(huì)影響光透射率。該技術(shù)使用有機(jī)分子吸收人眼不可見(jiàn)的光的波長(zhǎng),例如紅外線和紫外線。


圖中顯示了透明的太陽(yáng)能電池板,背景中有彩色的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板。新的LSC可以出現(xiàn)太陽(yáng)能,但在窗戶或其他透明表面上看不到–由密歇根州立大學(xué)供應(yīng),攝影:GLKohuth


“我們可以對(duì)這些材料進(jìn)行調(diào)諧,使其僅吸收紫外線和近紅外波長(zhǎng)的光線,然后在紅外光中的另一個(gè)波長(zhǎng)上'發(fā)光'”–理查德·倫特(RichardLunt),密歇根州立大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程和材料科學(xué)助理教授。捕獲的能量被傳輸?shù)矫姘宓妮喞?,在此借助光伏太?yáng)能電池的匯流條將其轉(zhuǎn)換為電能。

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化學(xué)工程和材料科學(xué)的博士生趙一木(音)和化學(xué)工程和材料科學(xué)的助理教授理查德·倫特,攝影:GLKohuth


技術(shù)原理


從科學(xué)上講,透明的太陽(yáng)能電池板有點(diǎn)矛盾。太陽(yáng)能電池,特別是光伏電池,通過(guò)吸收光子(陽(yáng)光)并將其轉(zhuǎn)換為電子(電)來(lái)出現(xiàn)能量。假如材料是透明的,意味著所有的光通過(guò)的通過(guò)介質(zhì)到達(dá)您的眼睛。這就是為何以前的透明太陽(yáng)能電池實(shí)際上只是部分透明的原因,即便如此,它們通常也會(huì)投射出五顏六色的陰影。


為了克服這一限制,密歇根州立大學(xué)的研究人員使用了一種略有不同的技術(shù)來(lái)收集陽(yáng)光。他們沒(méi)有嘗試創(chuàng)建透明的光伏電池(這幾乎是不可能的),而是使用透明的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器(TLSC)。發(fā)光太陽(yáng)能聚光器(LSC)是一塊透明的塑料或玻璃,上面嵌入或涂有熒光染料或量子點(diǎn)。染料吸收光,然后發(fā)出熒光,出現(xiàn)一種輝光,該輝光通過(guò)全內(nèi)反射傳播到薄板的邊緣,在那里,光被狹窄的太陽(yáng)能電池吸收。這是一項(xiàng)很有前途的技術(shù),因?yàn)樗梢允占竺娣e的幾乎透明的玻璃,而使用面積較小的昂貴的太陽(yáng)能電池。集中系數(shù)是孔與邊緣的比率??梢哉{(diào)整發(fā)光材料以在某些波長(zhǎng)(例如紫外線UV)吸收,并在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)處重新發(fā)射,在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處,硅的吸收是最佳的。[研究論文:DOI:10.1002/adom.201400103–“近紅外收集透明發(fā)光太陽(yáng)能聚光器”]


假如仔細(xì)觀察,您會(huì)在材料塊的邊緣看到幾個(gè)黑條。但是,活性有機(jī)材料以及整個(gè)太陽(yáng)能電池板都是高度透明的。

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TLSC原型目前的效率約為1%,但他們認(rèn)為一旦開(kāi)始生產(chǎn),就有可能達(dá)到10%。非透明的發(fā)光聚光器最大約為7%。這些數(shù)字本身并不是一個(gè)很大的數(shù)字,但是從更大的角度來(lái)看(房屋或辦公大樓中的每個(gè)窗戶),這些數(shù)字是可以累加的。而且,雖然我們可能不是在討論一種可以使您的智能手機(jī)或平板電腦無(wú)限期運(yùn)行的技術(shù),但用TLSC替換設(shè)備的顯示屏可以為您節(jié)省幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)的電池使用時(shí)間。


倫特在接受密歇根州立大學(xué)今日博客采訪時(shí)說(shuō):“它開(kāi)辟了很多區(qū)域,以非侵入性的方式部署太陽(yáng)能?!薄八梢杂糜趲в性S多窗戶的高層建筑,或任何要高美學(xué)質(zhì)量的移動(dòng)設(shè)備,例如電話或電子閱讀器。最終,我們要制造甚至不了解在那里的太陽(yáng)能集熱表面?!?/p>


研究人員相信,該技術(shù)可以一直擴(kuò)展到從大型工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用到消費(fèi)設(shè)備,并保持價(jià)格合理。迄今為止,大規(guī)模采用太陽(yáng)能的最大障礙之一是太陽(yáng)能電池板的侵入性和損害美觀—顯然,假如我們能夠從看起來(lái)像普通玻璃板的玻璃和塑料板中出現(xiàn)大量太陽(yáng)能,和塑料,那將是不可思議的。


這一發(fā)展將使建筑物的外墻得到最大的利用,因?yàn)榇怪备叨韧ǔ1任蓓數(shù)囊?,尤其是有關(guān)玻璃幕墻建筑。因此,在不更改建筑設(shè)計(jì)的情況下,透明太陽(yáng)能面板的太陽(yáng)能收集將,該技術(shù)可以輕松地集成到舊建筑物中。


早期的研究


早在2011年,還是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員得理查德·倫特博士就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)展這方面的研究。當(dāng)年他在接受《》采訪時(shí)說(shuō):“我們認(rèn)為將它們整合到高層建筑中的潛力很大?!?/p>


先前對(duì)透明太陽(yáng)能電池的嘗試要么未能實(shí)現(xiàn)高效率,要么阻擋了太多的光而無(wú)法在窗戶中使用。但是,這種新型電池基于類(lèi)似于染料和顏料的有機(jī)分子,被定制為僅吸收近紅外光譜,并且有潛力以相對(duì)較高的效率將光轉(zhuǎn)化為電能。


在開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用中,最大的挑戰(zhàn)將是壽命。單元格可以包裝在雙窗格式窗口的中間,這將供應(yīng)對(duì)元素的保護(hù)。但是,電池的壽命仍然要接近窗戶本身的壽命,幾十年后才可以更換。


麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授弗拉基米爾·布洛維奇(VladimirBulovic)說(shuō):“要使該功能真正有用,就必須延長(zhǎng)其使用壽命,并確保其使用壽命至少達(dá)到20年,甚至更長(zhǎng)?!辈悸寰S奇先生說(shuō),先前為延長(zhǎng)與有機(jī)太陽(yáng)能電池具有特性的有機(jī)發(fā)光二極管或LED的壽命所做的工作表明,壽命并不是一個(gè)特別困難的問(wèn)題。他說(shuō):“目前看來(lái),這是一個(gè)工程問(wèn)題。”“我希望在十年內(nèi)將解決這些問(wèn)題?!?/p>


假如電池可以制造得很耐用,則它們可以相對(duì)便宜地集成到窗戶中,因?yàn)槌R?guī)光伏電池的大部分成本不是來(lái)自太陽(yáng)能電池本身,而是來(lái)自安裝在鋁和玻璃上的材料。用太陽(yáng)能電池涂覆現(xiàn)有結(jié)構(gòu)將消除一些材料成本。


倫特博士說(shuō),假如透明電池最終證明在商業(yè)上可行,那么它們出現(xiàn)的能量將大大抵消大型建筑物的能源消耗。


目前,該團(tuán)隊(duì)正在努力提高能源生產(chǎn)效率,目前該效率為1%。目標(biāo)是超過(guò)5%。假如開(kāi)發(fā)成功,那么該材料的應(yīng)用潛力將是無(wú)限的。密蘇里州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員包括趙一木,本杰明·萊文和加勒特·米克。



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