科学家通过复制花瓣结构来提高太阳能电池的效率

太阳能电池的表面类似于植物的表面,可以改善光捕获,从而产生更多的能量。KIT(卡尔斯鲁厄理工学院)的科学家们再现了具有特别好的抗反射特性的玫瑰花瓣表皮细胞,并将透明复制品整合到有机太阳能电池中。这导致相对效率增加了12%。最近在Advanced Optical Materials期刊上发表了一篇关于这一主题的文章。

光伏发电的工作方式与植物的光合作用相似。光能被吸收并转换成不同形式的能量。在这个过程中,重要的是使用可能大部分的太阳光谱,并在角度随太阳位置变化时捕获各种入射角的光。由于长期演化过程,植物具有这种能力 - 足以让光伏研究人员在开发具有宽吸收光谱和高入射角度公差的太阳能电池时仔细观察自然。

KIT和ZSW(巴登 - 符腾堡州太阳能和氢能研究中心)的科学家们现在在他们发表在Advanced Optical Materials杂志上的文章中建议复制高等植物花瓣的最外层组织,即所谓的表皮,透明层,将该层整合到太阳能电池的前面,以提高效率。

首先,光技术研究所(LTI),微结构技术研究所(IMT),应用物理研究所(APH)和KIT动物学研究所(ZOO)以及他们的ZSW同事的研究人员对此进行了调查。光学性质,尤其是不同植物物种的表皮细胞的抗反射作用。这些特性在玫瑰花瓣中特别明显,它们提供更强的颜色对比,从而增加授粉的机会。正如科学家们在电子显微镜下发现的那样,玫瑰花瓣的表皮由密集排列的微观结构组成,其中由随机定位的纳米结构形成额外的肋骨。

为了在更大的区域内精确复制这些表皮细胞的结构,科学家将其转移到由聚二甲基硅氧烷(一种硅基聚合物)制成的模具中,将所得的负结构压制成光学胶,最后在紫外光下固化。“这种简单且具有成本效益的方法创造了深度和密度的微观结构,这是人工技术难以实现的,”KIT LTI的“Nanopothonics”组长Guillaume Gomard博士说。

然后科学家们将玫瑰花瓣表皮的透明复制品整合到一个有机太阳能电池中。这导致垂直入射光的功率转换效率增益为12%。在非常浅的入射角处,效率增益甚至更高。科学家将这种增益主要归功于复制表皮的优异的全向抗反射特性,即使对于接近80度的光入射角,也能将表面反射降低到5%以下。此外,使用共聚焦激光显微镜的检查显示,每个复制的表皮细胞都起微透镜的作用。微透镜效应扩展了太阳能电池内的光学路径,增强了光物质相互作用,并增加了光子被吸收的可能性。

“我们的方法适用于其他植物物种和其他光伏技术,”Guillaume Gomard解释说。“由于植物表面具有多功能特性,未来有可能在一个步骤中应用多种这些特性。” 这项研究的结果导致另一个基本问题:在复杂的光子结构中,解体的作用是什么?目前正在进一步研究这一问题,认为下一代太阳能电池可能会从其结果中受益。

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