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来自 生命科学 2020-03-24 08:45 的文章
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js金沙国际哈利·阿特沃特的新太阳能电池

一种新型的太阳能电池双像素屏幕,能大大提高手机和电子阅读器的能源效率。这项技术也可能被用在更大的显示屏,比如收集能量的广告牌和装饰太阳能电池板。

太阳能产业亘古不变的命题是光伏效率。哈利阿特沃特认为他的实验室将颠覆现有的太阳能产业。他们正在研制一种新的太阳能面板,是现有面板光电转换效率的两倍以上。这位加州理工大学的材料科学教授认为这完全可能。

密歇根大学电气工程和计算机科学系教授Jay Guo曾发现,反射光电彩色滤光片装置,可以吸收光转换为电能。这项研究已经在美国化学会主办的 NANO 杂志中刊登。

苹果也设想过柔性太阳能薄膜电池在移动设备上的应用,只要晒太阳,就能帮手机充电。

Guo说,传统的液晶显示器,实际只有少于8%的背光到达了观看者的眼睛,其余的则被彩色滤光片和偏光片吸收了。这些吸收的光线完全是浪费,他说, 变成了热,如果你把你的手靠近监视器,你能感觉到它,为什么不尝试收获这一能源?

他们在纳米尺度上研究如何管理光,设计更巧妙的架构,能使光伏电池的效率有一个质的飞跃。《麻省理工科技创业》杂志将这项技术列为2013十项突破性技术之一。

这就是他所做的,他的新过滤器将2%被浪费的光转换为电能,而这在一个小型的电子产品上能体现很显著的效果。

更有效地管理光

这种新型的过滤装置,其实是研究人员在有机半导体太阳能电池加入一个优美的超薄彩色滤光片,类似于一年前Guo的实验室研究。该过滤器是由金属的纳米薄片精确间距光栅作为谐振器,捕捉和反映一种特定的颜色的光,颜色只依赖于狭缝之间的空间量。

太阳能产生电力,是因为来自太阳的光子撞击电池内的半导体材料,光子的能量敲松材料中的电子,使电子自由流动。

新的过滤器只有200纳米厚,比传统的着色剂为基础的过滤器薄100倍,作为未来超薄彩色显示装置的特色将会更加有吸引力。

传统的太阳能电池通常是100微米厚,或者更厚,由单一的半导体材料组成,通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太阳光谱,通常也只能转换不到20%的能量为电能,绝大部分阳光的能量都以热能形式散失了。自1961年以来,科学家已经知道,在理想条件下,阳光照射到单个p-n结晶体太阳能电池上,产生的电能数量有一个限度。这个绝对限度,从理论上说大约是33.5%。这意味着,最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收,并转换成有用的电能。目前,Sunpower公司最好的单个p-n结晶体硅电池效率为24%,阿特沃特参与创办的公司阿尔塔设备的砷化镓太阳能电池最高的光电转化效率可达到27.6%。如果将半导体材料堆叠起来能使转化效率大幅提高。无限p-n结晶体太阳能电池在聚光下的理论效率极限是86%。现实中,Solar Junction公司的三节电池在947倍聚光下的光电转化效率为44%。但串联意味着在生产电池时,大量人力物力财力消耗在元件的叠加和制作缓冲层上,也意味着电池没法做得很薄。

为了降低成本,也因为用途更加广泛,研究人员一直在寻求制备更薄的太阳能电池的办法。薄膜电池能与建筑完美结合,也更容易集成在日常用品里,如背包、帐篷、救生衣,甚至电子产品里。然而,较薄的太阳能电池只能吸收较少的光线,意味着不能产生同样多的电力。阿特沃特和他的同事们想到了一个解决方案。

js金沙国际,薄膜电池能更容易集成在日常用品里。

他们求助于一种奇特的光学效应,称为光学谐振。

正如无线电天线会谐振并吸收特定的无线电波,纳米光学天线也可以谐振并吸收特定波长的光。

他们利用这种效应设计了一种薄薄的纳米楔形结构,这个结构吸光能力很强,能吸收70%的广谱光线。它像一个棱镜,将太阳光分解成6-8个不同波长的部分,每一束光颜色各不相同,但每一束光都能被不同的半导体面板吸收。

他们利用这个理念设计出三种结构,上述这一种已经做出原型。太阳光经由一块金属板反射并从一个独特的角度进入这个特殊结构。它由一种透明绝缘材料制成。材料表面的涂层是多个薄膜太阳能电池,由6-8种不同的半导体材料组成。一旦光进入材料,它会遇到一系列很薄的光学过滤器。

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