表面褶皱提高太阳能光伏电池效率

微观褶皱提高太阳能电池的输出功率和耐久性。 来源：普林斯顿大学

这个研究小组是普林斯顿大学（Princeton University）的科学家领导的，他们的成果4月22日在线发表在《自然•光子学》上，题为《细纹和深皱褶用作光伏材料的光子结构》（Wrinkles and deep folds as photonic structures in photovoltaics），报道说，褶皱使发电量增加了47％。鲁越临（Yueh-Lin (Lynn) Loo）是首席研究员，他说，精细校准的褶皱在电池板表面会疏导光波，提高光伏材料的暴光量。

“在平面上，光线或者被吸收，或者被反射回来，”鲁越临说，他是普林斯顿大学化学和生物工程教授。“添加这些曲线，我们就创造了一种波导。这会带来更多的机会，使光被吸收。”

研究小组工作中使用的光伏发电系统，是用相对便宜的塑料制成。目前，太阳能电池板通常是用硅制作，既脆弱，也比塑料昂贵。到目前为止，塑料电池板还不实用，没有广泛使用，因为它们的能量生产太低。但是，研究人员一直在增加这一效率，目标是创造一种廉价，坚韧和柔性的太阳能发电材料。

如果研究人员可以增加塑料电池板的效率，那这种材料发电，就可以采用表面阵列，可以采用插入窗口的电池板，也可以覆盖在外墙上或背包上。

“这是柔性的，可弯曲，重量轻，成本低，”鲁越临说。

在大多数情况下，研究人员都是集中增加塑料光伏材料本身的效率。最近的进展很有希望：加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究小组发布一种系统，具有10.6％的效率。这就是接近10％至15％的水平，被视为瞄准商用的开发。

金钟福（Jong Bok Kim）属于研究小组，他发现，微观褶皱可显著提高太阳能电池的功率。来源：加州大学

鲁越临说，这种褶皱方法有望提高这些数字。因为这种技术适应大多数塑料光伏材料类型，应该会全面提升效率。

“这是一个非常简单的工艺，你可以用任何材料，”她说。“我们已经用其他聚合物进行了测试，效果很好。”

金钟福是化学和生物工程博士后研究员，也是论文的首席作者，他解释说，《自然•光子学》论文描述，电池板表面的褶皱会引导光波，穿过材料，方式上很像河槽疏导水流穿过农田。研究人员使光线弯曲，穿过材料，基本上可以捕捉光线，使进入光伏材料内部，停留一段较长的时间，从而更多地吸光和发电。

细纹向褶皱的结构演变。来源：普林斯顿大学

“我预计，这会增加光电流，因为褶皱的表面很类似叶子的形态，叶子这种自然系统具有很高的捕光效率，”金钟福说，他是化学和生物工程博士后研究员。“然而，当我真正在褶皱表面制成太阳能电池时，它的效果比我预期的更好。”

虽然这一技术带来整体的效率提升，但是，效果尤其显著的是在红光部分光谱，具有最长的可见光波长。传统的太阳能电池板效率大幅度下降，就是因为光的波长增加，频谱接近红外光时，几乎没有光可吸收。但是，褶皱技术可以增加这端光谱的吸收，约增加600％，这是研究人员发现的。

光子流通量示意图：光学堆积在平坦、皱褶和复合表面。来源：普林斯顿大学

“如果你看一下太阳光谱就发现，有很多阳光我们都浪费了，”鲁越临说。“这是一种方法，可以提高效率。”

在机械和航空航天工程系霍华德•斯通（Howard Stone）实验室，研究小组创造了这种皱褶表面，他们仔细加工了一层液体感光胶粘剂，是采用紫外线进行固化。通过控制不同部分胶粘剂的固化速度，研究小组就可以把应力引入材料中，在表面生成波纹。较浅的波纹算作细纹，较深的被称为褶皱。研究小组发现，表面兼有细纹和褶皱，会产生最好的效果。

虽然这一过程背后的数学很复杂，但是，实际生产非常简单。鲁越临说，这相当实用，可用于工业领域。

“一切都取决于这一点，事实上，你可以重复形成这种细纹和褶皱，”鲁越临说。“通过控制应力，我们就可以引入或多或少的细纹和褶皱。”

另一个好处是，这一工艺可以增加太阳能电池板的耐用性，减轻弯曲的机械应力。研究人员发现，电池板采用褶皱表面，弯曲后仍然可以保持有效性。标准的塑料电池板的能量生产，弯曲后会减少70％。

鲁越临说，研究人员是从叶片中取得他们的灵感。叶子看似简单的东西，其实是一项神奇的天然工程。它的绿色表面构造完美，可弯曲和控制光线，确保最大量的太阳能可以被吸收，以创造能量和营养素，供应树木。最近的研究是金品楠（Pilnam Kim）搞的，他是斯通实验室的博士后研究员，他深入研究的，是如何用这些微观结构合成一些装置。

“如果你非常细致地观察叶子，就会发现，它们并不平滑，它们有各种各样的结构，”鲁越临说，他也是普林斯顿大学安德林格能源与环境中心（Andlinger Center for Energy and the Environment）副主任。“我们想模仿这些几何效应，合成人造捕光系统。”