斯坦福大學開發新材料 助力打造超薄、輕便的太陽能電池

蓋世汽車訊 太陽能工程領域正在展開一場競賽，以製造非常薄而靈活的太陽能電池板，用於電動汽車等出行領域。據外媒報道，斯坦福大學的研究人員開發的一組光伏材料，取得創紀錄效率。

（圖片來源：斯坦福大學）

與其他太陽能材料相比，這些過渡金屬二硫化物（或TMD）的主要優勢在於，能夠吸收照射在其表面的超高水平的陽光。斯坦福大學電氣工程博士學者Koosha Nassiri Nazif表示：“想象一下，在一架自動無人機的機翼頂部，所安裝的太陽能陣列，比一張紙還要薄15倍。這就是TMD的前景所在。”

對於柔性、輕量化和高功率應用來說，比如可穿戴裝置和感測器，或是航空航天裝置和電動汽車，太陽能首選材料矽過於笨重、不易彎曲，因此很有必要尋找新的材料。

具有競爭力的替代方案

儘管TMD前景看好，然而迄今為止，在研究實驗過程中，一直難以將其吸收的2%以上的陽光轉化為電能。就矽太陽能電池板而言，這個數字接近30%。為了促進TMD的廣泛使用，必須縮小這一差距。

斯坦福大學的新原型，實現了5.1%的電力轉換效率。預計經過光學和電氣最佳化後，實際上可以達到27%的效率，與目前市場上最好的太陽能電池板（包括矽）相當。

此外，該原型的的功率重量比，比以往開發的TMD高100倍。對於電動汽車和無人機等出行應用，以及在移動過程中為遠征裝置充電的能力，這一比率具有重要意義。考慮到比功率，即衡量太陽能電芯單位重量的電能輸出，該原型產生每克4.4瓦的功率，可與當前其他薄膜太陽能電芯相媲美，包括其他實驗原型。

研究人員認為，透過最佳化，可以將這一關鍵比例再提高10倍。估計TMD電芯的實際極限為每克46瓦。

其他優勢

此項研究最大的優勢在於超薄的厚度，不僅能充分減少材料使用和成本，而且使TMD太陽能電芯變得輕便靈活，能夠模製成不規則的形狀，用於汽車車頂、飛機機翼或人體。斯坦福大學的研究團隊生產出只有幾百奈米厚的有源陣列。該陣列中包括光伏TMD鎢二硒化物和由一層僅單原子厚的導電石墨烯覆蓋的金觸點。這些都夾在柔韌的面板狀聚合物和能夠增強光線吸收的抗反射塗層之間。

該TMD電芯完成組裝後，厚度不到6微米，大約相當於一個薄垃圾袋的厚度，需要15層才能達到一張紙的厚度。

TMD也具有其他工程優勢，如長期穩定可靠，不含有毒化學物質。另外，還具有生物相容性，可用於需要直接接觸人類面板或組織的可穿戴應用。

良好的發展前景

在具有工程複雜性的大規模生產過程中，TMD也存在一些缺點，使其效能受到影響。如將超薄TMD層轉移至柔性支撐材料的過程，常常會損壞TMD層。

研究人員設計了將薄TMD太陽能陣列固定在柔性基板上的轉移過程，據稱這一技術挑戰相當大。其中一個步驟是將原子厚石墨烯層轉移到只有幾微米厚的柔性襯底上。透過這一複雜的過程，使TMD完全嵌入到柔性基板中，從而提高耐用性。研究人員圍繞不到三分之一英寸厚的金屬圓柱體來彎曲材料，以測試裝置的靈活性和堅固性。

研究人員表示，TMD功能強大、靈活耐用。在太陽能技術領域，是富有前景的新發展方向。