太阳能电池复制表皮细胞 转化效率提升快

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  仿生学:在一个透明层里复制玫瑰花瓣的表皮,然后集成到一个太阳能电池前面。

  图片来源于: Guillaume Gomard, 卡尔斯鲁厄理工学院

  引言

  具有类似植物表面的太阳能电池,捕获光线的能力可以得到提高,产生更多的能量。卡尔斯鲁厄理工学院的科学家们,复制玫瑰花瓣表皮细胞,并且将其透明的复制品,集成进有机太阳能电池里面。这些细胞具有良好的增透特性。

  灵感来源

  太阳能光电板工作方式,和植物光合作用的方式类似。光线能量被吸收,然后转化为不同的能量形式。这个过程的重点在于,使用了大部分的太阳光谱,并且随着太阳位置的变化,捕获从不同角度射入的光线。植物因为长期的进化,而具有这种能力。太阳能光伏的研究人员,受到自然界这种现象的启发,开发了具有更广泛吸收光谱和高度入射角宽容度的太阳能电池。

  研究过程

  KIT和ZSW(巴登-符腾堡太阳能和氢研究中心)的科学家们,在发表在《高级光学材料》杂志上的文章中称,以透明层的形式,复制高等植物花瓣的最外层组织,所谓“表皮”,然后集成进太阳能电池里面,增加它的效率。

  第一步,光技术研究所(LTI),麻省理工学院(MIT),应用物理研究所(APH),以及KIT的动物学研究所(ZOO)的研究人员,还有他们来自ZSW的同事一起,研究光学属性,首先是,不同植物表皮细胞的增透效果。这些性能在玫瑰花瓣里面尤为明显,为了增加授粉的机会,他们颜色对比更强。科学家们在电子显微镜里发现,玫瑰花瓣的表皮,由无序组织的密集微观结构组成,额外的花纹由随机定位纳米结构形成。

  为了在更大区域,完全复制这些表皮细胞的结构,科学家们将它们转移进由聚二甲基硅氧烷组成的模具中,一个硅基聚合物中,将产生的负向构造,压进光学胶中,最后留在紫外线下面进行加工。“这种简单而且便宜的方法,创建了具有深度和密度的结构,这种人工技术几乎无法实现。”KIT的LTI的小组负责人Guillaume Gomard博士说。

  然后,科学家们将透明玫瑰花瓣表皮的复制品,集成进有机太阳能电池中。这样,能量转化效率对于垂直入射的光线来说,增加了12%。在非常浅的入射角度下,效率的提升更高。科学家把这种提高,首先归结于复制的表皮优秀的全向增透属性,将表面反射值减少至低于百分之五,即使对于接近80度入射角的光线来说。更进一步的说,如同使用共聚焦激光显微镜检查所展示的,每个单个复制的表皮细胞,都像微镜头一样工作。微镜头效果拓展了光线和物质之间的交互,增加了光子被吸收的概率。

  未来展望

  “我们的方法,应用在其他植物物种和光伏技术方面,”Guillaume Gomard解释道,“因为植物的表面具有多功能属性,未来它可能有望应用这些多属性。”这项研究的成果,导致另外一个基本的问题:在复杂光子结构中的混乱是什么角色?研究人员从下一代太阳能电池的角度,研究了这个问题。

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