球形太陽(yáng)能電池的高輸出功率

近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電已成為最具潛力的發(fā)電技術(shù)之一，是清潔綠色的可再生能源之一。因而太陽(yáng)能電池技術(shù)得到了快速發(fā)展，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)微系統(tǒng)工程的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的球形太陽(yáng)能電池，旨在從每一個(gè)角度提高太陽(yáng)能收集潛力，而不需要昂貴的移動(dòng)部件來(lái)追蹤太陽(yáng)在天空中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

這種球形太陽(yáng)能電池原型是一個(gè)微小的藍(lán)色球體，它可以像乒乓球一樣輕松地被一只手握住。利用太陽(yáng)能模擬燈進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，與具有相同總表面積的平板太陽(yáng)能電池相比，它可以實(shí)現(xiàn)超出15%～100%的功率輸出，具體則取決于將陽(yáng)光反射到太陽(yáng)能電池中的背景材料。

據(jù)了解，該研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)靈感主要來(lái)自于自然界。家蠅眼睛的位置和形狀增加了角度視野，所以它們的水平視野可達(dá)到270度左右。同樣，球形結(jié)構(gòu)增加了太陽(yáng)能電池的“角度視野”，這意味著它可以從更多的方向收集太陽(yáng)光。

該研究團(tuán)隊(duì)使用占世界太陽(yáng)能發(fā)電量近90%的單晶硅太陽(yáng)能電池制造了球形太陽(yáng)能電池，其目的在于幫助單晶硅太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)最大化的光收集潛力，從而進(jìn)一步降低成本效益，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

通常，太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)是在平坦的表面上制造微小的球形電池(有時(shí)由納米線或量子點(diǎn)電池制成)，以幫助更好地收集直射和散射的陽(yáng)光。

該研究團(tuán)隊(duì)采用波紋技術(shù)，在剛性硅太陽(yáng)能電池上實(shí)現(xiàn)了超柔韌性，這意味著可以讓工業(yè)IBC型(叉指式背接觸)硅太陽(yáng)能電池覆蓋任何形狀，并在任何地方“太陽(yáng)能化”。因此，相對(duì)于微球陣列，更大的球形太陽(yáng)能電池在收集從背景表面反射的陽(yáng)光時(shí)，可以提供更高的效率和覆蓋率。

用太陽(yáng)能模擬器燈進(jìn)行的測(cè)試表明，球形太陽(yáng)能電池在直接暴露于陽(yáng)光下時(shí)，其功率輸出比傳統(tǒng)的平面太陽(yáng)能電池高出24%;在兩種類型的太陽(yáng)能電池都開(kāi)始變熱并且功率效率受到一定損失后，球形太陽(yáng)能的功率輸出躍升至39%，這表明其在散熱方面可能具有一定優(yōu)勢(shì);

當(dāng)球形太陽(yáng)能電池只能在模擬屋頂下收集散射的陽(yáng)光而不是直接接受陽(yáng)光照射時(shí)，其功率輸出比平面太陽(yáng)能電池高出60%。在不同的反射背景下進(jìn)行的其他實(shí)驗(yàn)(包括鋁杯，鋁紙，白皮書(shū)和沙子)表明，六角形鋁杯背景材料可使球形太陽(yáng)能電池功率輸出比平面太陽(yáng)能電池高達(dá)100%。

現(xiàn)階段，球形太陽(yáng)能電池仍不能替代大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電廠的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池，但這種特殊的球形太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)可以在更多的細(xì)分市場(chǎng)應(yīng)用中找到用途。

研究人員指出，目前球形設(shè)計(jì)的應(yīng)用似乎非常有限，但是將商業(yè)化的太陽(yáng)能電池制成任何形狀的能力，并用成型的光伏面板為一些自主設(shè)備提供完全的動(dòng)力，將推進(jìn)光伏技術(shù)廣泛應(yīng)用于諸如物聯(lián)網(wǎng)(IOT)傳感器和自動(dòng)駕駛汽車等設(shè)備中。

例如，研究人員正在尋找一種覆蓋高爾夫球的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)，以便它可以為高爾夫球內(nèi)的跟蹤器提供動(dòng)力。因此，他們認(rèn)為將這種超柔性太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)安裝在建筑物、汽車甚至移動(dòng)設(shè)備中的前景十分廣闊。

基于必須手動(dòng)折疊并形成球形太陽(yáng)能電池，沙特阿拉伯的研究人員已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用“機(jī)器人手”模仿手動(dòng)折疊來(lái)自動(dòng)化該過(guò)程。

此外，他們?cè)O(shè)想建立和測(cè)試大型的球形太陽(yáng)能電池陣列，如為100平方英尺至1000平方英尺的區(qū)域創(chuàng)建球形單元陣列，并將功能性和成本優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)單元進(jìn)行比較;他們已經(jīng)在研究類似于帳篷或雨傘的新形狀，以查看它們是否具有優(yōu)勢(shì);他們還將太陽(yáng)能電池與具有異常形狀的無(wú)人機(jī)表面整合在一起。

據(jù)了解，制造大型球形太陽(yáng)能電池，需要研究人員在15%的平面太陽(yáng)能電池中蝕刻交替的凹槽，以形成類似于中間連接的橢圓形的圖案。

使用二氧化碳激光在覆蓋太陽(yáng)能電池的聚合物硬掩模中創(chuàng)建適當(dāng)?shù)膱D案，并使用深度反應(yīng)離子蝕刻工具在硅太陽(yáng)能電池的裸露區(qū)域中形成凹槽，通過(guò)這些凹槽區(qū)域中的彎曲，研究人員才可以將它們折疊成球形。

隨著時(shí)間的推移，研究人員發(fā)現(xiàn)在世界某些地區(qū)球形太陽(yáng)能電池比平面太陽(yáng)能電池更受青睞，因?yàn)榍蛐卧O(shè)計(jì)不易積聚灰塵，并且可能有助于散熱。

目前，球形太陽(yáng)能電池仍有許多未完成的測(cè)試，研究人員希望了解球形太陽(yáng)能電池在一天中不同時(shí)間在各種室外和室內(nèi)照明環(huán)境中的性能。同時(shí)，他們也希望了解制造此類球形太陽(yáng)能電池所需的所有處理步驟的“量化成本”，以便更好地了解該技術(shù)的商業(yè)化潛力。