《光伏》杂志_结合钙钛矿和量子点的新材料可提高太阳能电池寿命和性能

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超轻超薄！新型织物光伏电池发电能力大增18倍可应用于各种场景

长期以来，太阳能电池技术一直被视为我们向更清洁能源过渡的关键支柱，但传统的硅太阳能电池很脆弱，所以它们必须用玻璃包装，用厚重的铝框架加固，这限制了它们的安装地点和安装方式，因此这一领域仍还有许多进步的空间。

有鉴于此，薄而柔韧的太阳能电池在该领域具有独特的前景，因为它们可以应用于各种不规则、弯曲或凹凸不平的表面。近期，麻省理工学院(MIT)的科学家们就研发了一种比人类头发还薄的新型轻质太阳能电池，继续推动着这一领域的发展。

上述最新成果是基于MIT研究团队2016年的一项研究。六年前，该团队使用一种新兴的薄膜材料生产出了太阳能电池，这种材料非常轻，甚至可以放在肥皂泡上。但这些超薄太阳能电池是用复杂的真空工艺制造的，这种工艺成本昂贵，而且难以扩大规模。

而在这项新研究中，为了扩大该技术的应用，MIT的科学家们现在已经转向基于墨水的可打印材料，以简化生产过程。这项研究成果已于近期发表在了《SmallMethods》杂志上。

具体而言，他们使用了一种可打印电子墨水形式的纳米材料。这些材料与可打印的电极一起沉积在厚度仅为3微米的塑料基材上，形成一个太阳能模块。然后，该模块可以被剥离并粘在一个织物基底上，该基底提供了防止撕裂所需的机械强度，同时增加的重量又能做到最小。

最终，成品是一种极具柔性、而且超轻的太阳能电池，重量只有传统太阳能电池板的百分之一，但每公斤发电能力是传统太阳能电池板的18倍。在测试中，研究小组发现，当太阳能电池附着在织物上时，每公斤可以产生370瓦的功率，而单独放置时，可以产生730瓦的功率。

“在马萨诸塞州，一个典型的屋顶太阳能装置大约是8000瓦，”该研究论文的共同主要作者MayuranSaravanapavanantham说，“为了产生同样数量的电力，我们的织物光伏设施只需在房子的屋顶上增加大约20公斤的重量。”

该团队的测试还表明，这种织物太阳能电池板可以卷起和展开500多次，同时保持90%的发电能力，这预示着它的耐用性也很强。该团队正在努力解决的问题之一是环境退化的问题，即需要某种形式的超薄包装来保护太阳能电池不受外界因素的影响。

麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家JeremiahMwaura说，“像传统硅太阳能电池的标准一样，将这些太阳能电池包裹在厚玻璃中，将极大地降低目前进展的价值，因此该团队目前正在开发超薄包装解决方案，这只会稍微增加目前超轻型设备的重量。”

研究人员表示，如果这些问题能够得到解决，这种极其轻薄的太阳能电池可以使它们找到各种用途。将它们应用于船帆、灾后重建中的帐篷外侧或无人机的机翼是其中的一些例子，但理论上它们几乎可以部署在任何地方用于发电。

结合钙钛矿和量子点的新材料可提高太阳能电池寿命和性能

谈到塞尔维亚裔美籍天才科学家尼古拉.特斯拉，就绕不开他的大胆构想无线电能传输实验。虽然，最终因财力不足没有实现，但后来古博(Goubau) 、施瓦固( Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。

是的，我们要谈论的就是在太空中建立一个围绕地球运行的太阳能电池板，借此获得的无限清洁能源，并全天候为地球供应能源。

事实上，在 太空中收集太阳能并将其无线传输到地球的设想由来已久， 甚至比太空计划还要早，这听起来是不是有点不可思议呢！

1891年，特斯拉在成功试验了把电力以无线能量传输的形式送到了目标用电器之后，致力于商业化的洲际电力无线输送， 并且以此为设想建造了沃登克里弗塔。

艾萨克·阿西莫夫 (Isaac Asimov) 于 1941 年在他的短篇小说《原因》(Reason) 中也描述了这一点。1968 年，美国航空航天工程师彼得·格拉泽 (Peter Glaser) 在《科学》杂志 上发表了关于这一概念的一篇技术文章——《来自太阳的力量：它的未来》。

1970 年代 - 2000 年代初， 太空太阳能受到了广泛关注，因为主要必要的个别技术组件（太空中的太阳能和无线电力传输）得到了展示。NASA 技术报告表明，该概念在技术上是可行的。尽管如此，这个想法在当时在经济上是不切实际的。然而，最近在光伏、结构、电子和较低发射成本方面的进步可能会使太空太阳能在不久的将来成为现实。

2013 年 5 月， 尔湾公司董事长兼加州理工学院董事会终身成员唐纳德布伦和他的妻子布里吉特是加州理工学院的受托人，他们投资了 1 亿美元，帮助组建了太空太阳能项目 (SSPP)。

2015 年 4 月， Northrop Grumman Corporation 与加州理工学院之间的一项研究协议提供高达 1750 万美元的资金，用于开发实现太空太阳能发电系统所需的 科技 创新。三位加州理工学院教授共同领导该项目：Harry Atwater、Ali Hajimiri 和 Sergio Pellegrino。

2017 年 5 月， 加州理工学院展示了第一个收集太阳能并无线传输太阳能的超轻集成原型。该原型的空气密度为 1.5 kg/m2，比之前的示例轻 10 倍以上。这种模块化元件可以在任意区域重复形成一个大孔径，可以放置在轨道上以收集阳光并将电力传输到任何位置。

2017 年 12 月， 第二次迭代功能原型在加州理工学院进行了演示。该原型比第一个版本轻 33%，面密度小于 1 kg/m2。它集成了光伏和电力传输电路，并结合了光束控制。

如今，该项目正在接近一个重要阶段：太阳能发电机原型演示机和 射频无线能量传输的发射测试 。这是一种部署在太空中，大约2x2米大小的超轻型结构。

它是迄今为止最轻的集成多功能原型机已经展示，能够收集阳光，将其转换成射频电能，然后以受控光束无线传输这种能量。

当然，该项目还存在局限性，科学家们正在努力克服这些局限性。不仅需要收集足够的阳光转换成射频电能，而且还需要以最小的损失将其传输到地球上。

该项目的科学家需要修改一些重要的参数，然后再把功率密度增加几个数量级。例如，太空中的大多数光伏系统都使用高效电池，这些电池都 包含三个 集光层 ，且 每个集光层的波长都是不同的。这种电池设计是获得最大单位面积功率的最广为人知的方式。 这种电池结构设计是已知的获得单位面积最大功率的最佳方法。

SSPP 电池全部使用单层光伏材料，单位质量的效率更高，单位面积的效率损失通过光伏在更大面积上的扩散得到补偿。

整个太阳能收集系统面积约为 60 平方米，将由相互连接的光伏板以折叠的方式组成。

尽管困难重重，但不可否认该项目的潜力是巨大的。这就是人们期待在太空中进行远距离无线能量传输首次演示的原因，该演示计划预计于 2023 年第一季度进行。

多伦多大学的工程研究人员结合了两种新出现的新一代太阳能电池技术，发现每一种技术都有助于稳定另一种技术。由此产生的混合材料是降低太阳能电池成本的一个主要步骤，同时也增加了太阳能电池的使用方式。

如今，几乎所有的太阳能电池都是由高纯度硅制成的。这是一项成熟的技术，近年来由于规模经济，制造成本大幅下降。然而，硅的效率有一个上限。一个由Ted Sargent教授领导的团队正在研究互补材料，这种材料可以通过吸收硅所不吸收的波长来增强硅的太阳能收集潜力。

Sargent教授说：“我们实验室所追求的两项技术是钙钛矿晶体和量子点。”这两种方法都适用于溶液处理。想象一下，一种“太阳能墨水”可以印刷到柔性塑料上，制造出低成本、可弯曲的太阳能电池。我们还可以在硅太阳能电池的前后阶段组合它们，以进一步提高它们的效率。”

钙钛矿和量子点面临的主要挑战之一是稳定性。在室温下，某些类型的钙钛矿经历了3D晶体结构的调整，使它们变得透明——它们不再完全吸收太阳辐射。

对于量子点来说，必须覆盖一层被称为钝化层的薄层。这个层——只有一个分子厚——可以防止量子点互相粘在一起。但是超过100摄氏度的温度会破坏钝化层，导致量子点聚集或聚集在一起，破坏它们采光的能力。

发表在《自然》杂志上的一篇论文中，Sargent实验室的一组研究人员报告了一种结合钙钛矿和量子点的方法，这种方法可以稳定两者。

该论文的主要作者刘梦霞说：“在我们这样做之前，人们通常试图分别应对这两个挑战。”

“研究已经证明混合结构的成功发展，这种混合结构结合了钙钛矿和量子点，这启发我们考虑到，如果两种材料共享相同的晶体结构，它们可能会彼此稳定。”刘说，她现在是剑桥大学的博士后研究员。

刘和他的团队建造了两种混合材料。一种主要是量子点，其体积约为15%的钙钛矿，用于将光转化为电能。另一种主要是以体积计量子点小于15%的钙钛矿，更适合将电转化为光，例如，作为发光二极管（LED）的一部分。

研究小组能够证明，富含钙钛矿的材料在环境条件（25摄氏度和30%湿度）下保持稳定6个月，比仅由同一钙钛矿组成的材料寿命长约10倍。对于量子点材料，当加热到100℃时，纳米颗粒的聚集度比未经钙钛矿稳定的纳米颗粒低5倍。

“这很好地证明了我们的假设，”刘说。这是一个超出我们预期的令人印象深刻的结果。

新的研究结果证明了这类混合材料可以提高材料的稳定性。在未来，刘希望太阳能电池制造商能够采取她的想法，并进一步改进，以创造新的太阳能电池技术，满足所有与传统硅相同的标准。

“工业研究人员可以用不同的化学元素来形成钙钛矿或量子点，”刘说。我们所展示的是，这是一个有前途的策略，可以改善这类结构的稳定性。”

“作为太阳能材料，钙钛矿已经显示出巨大的潜力；但需要基本的解决方案，将其转化为稳定和坚固的材料，以满足可再生能源行业的苛刻要求，”杰弗里C.格罗斯曼说，他是莫顿和克莱尔·古尔德，环境系统的家庭教授，同时也是麻省理工学院材料科学与工程系德学院的一名教授。麻省理工学院此次并未参与研究。多伦多的研究显示了一个令人兴奋的新途径，以促进对稳定钙钛矿晶体相的理解和成就。”

刘将这一发现部分归功于团队中的协作环境，其中包括来自许多学科的研究人员，包括化学、物理和她自己的材料科学领域。

她说：“钙钛矿和量子点具有独特的物理结构，这些材料之间的相似性通常被忽视。这一发现表明，当我们结合来自不同领域的想法时，可能会发生什么意想不到的火花。”