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MIT推動超輕薄太陽能電池研究新方向

上網時間: 2013年07月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:太陽能電池  轉換效率  2D  材料  石墨烯 

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員們正致力於打造出世界上最輕薄的太陽能電池設計,並期望以此推動太陽能電池研究的另一個新發展方向。

根據研究人員們表示,儘管目前的太陽能電池設計多半追求以最低的成本實現高轉換效率,然而卻常忽略了在輕薄尺寸方面的要求。然而,對於行動電子設備而言,輕與薄一向是最主要的設計目標,而太陽能電池設計一向強調的是高轉換效率。

如今,根據MIT表示,既輕且薄的太陽能電池設計,在航空、太空等應用以及運輸成本高的偏遠地區已經越來越受歡迎了。未來,隨著材料變得越來越稀少,採用超輕薄太陽能電池可實現對於自然資源的保護,甚至能降低安裝成本。

MIT教授Jeffrey Grossman:「至於如何才可能成為最薄的太陽電池呢?我們的預測是只用兩層材料的電池設計。」Jeffrey Grossman與博士後研究員Marco Bernardi,以及羅馬大學客座研究員Maurizia Palummo共同合作進行這項研究。

Grossman進一步解釋,「目前的確有許多應用都必須考慮到重量,因此盡可能採用最薄的主動層材料以及最小化封裝,從而帶來更薄、更耐用的基板,那麼最終將改變整個安裝方式。此外,這還大助於解決一個核心問題:我們究竟能從特定材料的每個原子或鍵結中省下多少功耗?」


MIT研究人員用電腦模擬各種不同材料,以期找到最輕薄的太陽能電池組合。(來源:MIT)

MIT估計,其超薄型太陽能電池薄膜──基本上是厚度約1奈米的 2D 薄層──比傳統太陽能電池更節能1,000倍以上。但其缺點是效率較低,且需要較現有太陽能電池更多10倍的面積,才能產生相同量的能量,因為超薄太陽能電池效率約為2%,而傳統太陽能電池(PC)則可實現高達20%的效率。然而,研究人員已經計劃採用堆疊超薄2D太陽能電池的層狀結構,以提高其效率。

Grossman說:「我們預測的兩層堆疊可能達到1-2%的效率,但當然也可能堆疊到兩層以上,因而能提高效率。由2D材料製作的電池效率應該也能達到像目前『傳統』PV約10-20%的效率。」

研究人員們仍在模擬原型設計所用的超薄太陽能電池材料。透過精密的模擬過程,各種拓撲結構的層疊片材使用了原子石墨烯薄膜、二硫化鉬與二硒化物。這些設計的優點在於不僅較傳統太陽能電池更具輕薄的優勢,同時也不受氧化、紫外線輻射和環境中水分的影響──這三者通常是傳統太陽能電池長期穩定性的殺手。此外,相較於傳統PV安裝,由於新式超薄設計不需採用玻璃罩或冷卻安裝,因而可節省一半以上的成本。

Bernardi說:「超輕薄太陽能電池可望降低安裝成本。目前基於矽晶的太陽能電池模組已經很重了,加上保護玻璃後更重。目前太陽能電池陣列佔整個安裝成本的60%,主要都是由於重量造成的。因此,為了實現更輕的太陽能電池,我們期望能找到一種超輕薄的機械可撓性材料,使其可用塑料封裝來取代玻璃材料,以便為太陽能電池安裝建立新方向。」

相較於傳統太陽能電池,超薄太陽能電池的材料成本可望大幅降低。但研究人員還未能在實驗室中建立這一原型,因而也無法讓材料實現量產。接下來,研究人員們打算開始在實驗室針對各種不同的材料配方與堆疊結構測量其效率與長期穩定性。

編譯:Susan Hong

(參考原文:MIT Aims for Thinner Solar Cells,by R. Colin Johnson)





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