新式太阳能电池——昆虫复眼

【概要】将微小的太阳能电池包装在一起，可制成类似于昆虫复合眼中的微透镜，能够帮助科学家解决钙钛矿光伏发展的主要障碍，可为新一代先进的光伏发电奠基。

【图注】在断裂测试后填充钙钛矿的复合太阳能电池中的支架。

在一项研究中，斯坦福大学的研究团队采用了昆虫风格的设计来保护脆弱的钙钛矿光伏材料，使其在它受到热量，水分或机械应力的影响时，不会过快恶化。此项研究的材料科学和工程教授Reinhold Dauskardt说：“钙钛矿是一种有前景的，低成本的材料，它可以将太阳光转换成电能，正如同传统的硅太阳能电池。但问题在于，钙钛矿材料极度的不稳定和力学脆弱，它们几乎无法在制造过程中幸存下来，更无法在环境中增长使用寿命。”

大多数的太阳能设备，如屋顶面板，均使用平面设计。但是这种方法在钙钛矿太阳能电池板上就无法很好地工作。研究生Nicholas Rolston是E&ES研究的联合负责人，他说：“钙钛矿是我们实验室所测试过历史上最脆弱的材料。钙钛矿的这种脆性，与盐状晶体结构有关，其具有与食盐相似的力学性能。”

苍蝇的眼睛

为了应对耐久性挑战，斯坦福大学的团队将研究思路转向自然生物。Dauskardt解释道：“我们受到飞行昆虫复眼的启发，那其中包含数百个细小的眼睛。它具有内置美丽的蜂窝形状，如果你失去一个部分，其他部分仍会运行，每个部分都非常脆弱，它们容易被围绕着的脚手架墙所屏蔽。”

研究人员利用复眼制作了一种复合太阳能电池，它由广泛的钙钛矿微蜂窝蜂窝构成，每个细胞囊封在宽度仅0.02英寸(500微米)的六边形支架上。“脚手架是由一种广泛用于微电子行业的廉价环氧树脂制成的，”罗斯顿说，“它对力学应力具有弹性，从而更不易断裂。”

研究期间进行的测试显示，脚手架对钙钛矿将光转换为电能的能力基本无影响。“我们从平板太阳能电池获得的每个小钙钛矿电池中都能获得几乎相同的功率转换效率，”Dauskardt说，“因此，我们实现了大幅增加抗裂性，却没有损失转换效率。”

耐久性

但是，新设备能否承受传统屋顶太阳能电池板的高热高湿度呢?研究人员发现，将钙钛矿细胞暴露于185华氏度(85摄氏度)和85%相对湿度的温度下放置6周，在这个极端的条件，该细胞仍继续以较高的效率发电。

Dauskardt及其同事已经提交了新技术的临时专利。为了提高转换效率，他们正在研究将支架上的光分散到每个电池的钙钛矿核心的新方法。“我们对这些结果感到非常兴奋，”他说， “这是设计太阳能电池的一种新方法，这些支架电池看起来也很酷，所以现实应用中可能会带来一些有趣的审美角度。”E&ES研究的其他共同作者是斯坦福大学博士后学者Brian Watson和Adam Printz。