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可编织化纤维太阳能电池研究

2008-04-01 10:29
姚看江湖
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   传统太阳能电池的基本形态为平板的结构,太阳光必须从一个透明电极面进入电池内部实现光电转换;而且在使用中只能通过拼嵌等方式组成电池组模块。北京大学化学与分子工程学院邹德春教授领导的研究小组在近期开展的系列工作中,充分利用纳米结构独特的光学以及电子学特性,采用与传统太阳能电池完全不同的采光模式,首次成功地制备出了具有一维纤维结构以及网状结构的纳米晶柔性太阳能电池。纤维太阳能电池的直径最小可以达到50μm,具有良好的柔性以及机械强度,可以进一步通过编织形成网、绳等各种形态的太阳能织物模块。相关研究成果分别发表在《先进材料》(Adv.Mater., 2008, 20(3), 592-595.)以及《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett. 2007, 90(7), 073501)上。
 
   纤维状的柔性纳米晶太阳能电池的工作电极为包裹有染料敏化的纳米TiO2的导电纤维(如金属丝等)。工作电极与纤维对电极(如金属丝)对称缠绕,浸渍电解质之后,组成电池单元。一根5cm长的电池的开路电压最高达700mV,短路电流60μA。目前该小组已经将工作拓展到了稳定性更好的全固态电解质电池上(Appl. Phys. Lett. 2008, 92(11). 113510),对电极也可以采用廉价的铜丝,目前固态纤维电池的寿命已经超过3000小时。
 
   值得一提的是,由于利用了纳米结构对光的强散射效果,电极材料不再需要透明,因此使电池彻底摆脱了对ITO等透明导电材料的依赖,电极基底可以采用导电性、稳定性、机械强度都更优良的金属纤维,有利于改善电池的效率和稳定性,同时也使电池的成本大大降低。而且,对于单根电池而言,光子从垂直纤维的任意角度入射电池的受光状态都不变,因此电池的输出功率对入射光角度的依赖性很小。通过对电池组模块结构因子的优化,组成多层网络或线团结构,能够进一步提高电池组模块对入射光子的束缚能力,甚至实现光子的全吸收。
 
   该研究成果发表后,很快受到了国际上的广泛关注,最近一期的《自然—材料学》(Nature Materials)在其“Research Highlights”栏目中专门撰文进行了报道。美国化学学会网站上的“Noteworthy Chemistry” (原Heartcut中心论文)栏目专门进行了积极的评述。评论认为:“……这种电池可以编织成为几乎任意形状以及形式的电池产品。在日常生活中,我们身边的每一件东西都可以成为太阳能电池——我们的衣服、帽子、背包等等。在军事上,士兵所携带的每一件物品都可以成为电能来源——绳、网、头盔、帐篷……无所不能。”
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