當(dāng)涉及到充分利用每天可用的陽(yáng)光時(shí)，平板太陽(yáng)能電池板仍然面臨著很大的限制。一種新的球形太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)旨在從幾乎每個(gè)角度提高太陽(yáng)能收集潛力，而不需要昂貴的運(yùn)動(dòng)部件來(lái)跟蹤太陽(yáng)在天空中的明顯運(yùn)動(dòng)。

據(jù)悉，沙特研究人員設(shè)計(jì)的球形太陽(yáng)能電池原型是一個(gè)微小的藍(lán)色球體，一個(gè)人可以像乒乓球一樣輕松地用一只手握住它。利用太陽(yáng)模擬器燈進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，與地面面積相同的平板太陽(yáng)能電池相比，它可以實(shí)現(xiàn)15%到100%的功率輸出，這取決于背景材料如何將陽(yáng)光反射到球形太陽(yáng)能電池中。該研究小組希望其自然啟發(fā)的設(shè)計(jì)能在未來(lái)的世界各地的許多不同地點(diǎn)的實(shí)地測(cè)試中同樣成功。

阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）微系統(tǒng)工程博士后研究員Nazek El-Atab說(shuō)：“家蠅眼睛的位置和形狀增加了它們的角度視野，因此它們可以在水平視野中看到周圍大約270度的角度。類似地，球形建筑增加了太陽(yáng)能電池的‘角度視野’，這意味著它可以從更多的方向收集陽(yáng)光。”

為了創(chuàng)建球形太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)，El Atab和她的同事們?cè)谥暗墓ぷ骰A(chǔ)上，演示了如何基于波紋槽技術(shù)創(chuàng)建更薄、更靈活的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)。這項(xiàng)新的工作在一篇提交給MRS Communications雜志審查的論文中作了詳細(xì)說(shuō)明。

Photo： Nazek El-Atab/KAUSTMeasurement setup of the spherical solar cell under a solar simulator in air and using a regular a white paper as the reflective background material.

利用太陽(yáng)模擬器燈進(jìn)行的測(cè)試表明，球形太陽(yáng)能電池在直接暴露于陽(yáng)光下時(shí)，比傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能電池提供24%的功率輸出。在這兩種類型的太陽(yáng)能電池開(kāi)始升溫并在能效方面遭受一些損失之后，這種功率優(yōu)勢(shì)躍升至39%，這表明球形在散熱方面可能具有一些優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)球形太陽(yáng)能電池只能在模擬屋頂下收集散射的陽(yáng)光，而不能直接接收陽(yáng)光時(shí)，球形太陽(yáng)能電池的輸出功率也比平板太陽(yáng)能電池高出約60%。在鋁杯、鋁紙、白紙和沙子等不同反射背景下的附加實(shí)驗(yàn)表明，六邊形鋁杯背景有助于球形太陽(yáng)能電池在功率輸出方面優(yōu)于平板太陽(yáng)能電池100%。

沙特團(tuán)隊(duì)利用目前占世界太陽(yáng)能發(fā)電量近90%的單晶硅太陽(yáng)能電池制造了球形太陽(yáng)能電池。這種選擇源于這樣一個(gè)目標(biāo)，即幫助最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)能電池的集光潛力，以及如果設(shè)計(jì)證明具有成本效益，則有可能更容易擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

麻省理工學(xué)院太陽(yáng)能工程博士后研究員Zhe Liu說(shuō)：“讓我感到驚訝的是，作者在一系列文章中證明了使用波紋技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)剛性硅太陽(yáng)能電池的超柔性。我對(duì)制造球形電池的能力更為興奮，這意味著你可以讓工業(yè)IBC型（interdigitated back contact）硅太陽(yáng)能電池覆蓋任何形狀，并在任何地方‘日光化’?！?/p>

沙特阿拉伯吉達(dá)大學(xué)（University of Jeddah）物理學(xué)助理教授Rabab Bahabry說(shuō)，以前的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)已經(jīng)制造出微小的微型球形電池，有時(shí)在平面上用納米線或量子點(diǎn)電池制造，以幫助更好地收集直接和散射的陽(yáng)光。但在收集背景表面反射的太陽(yáng)光方面，與微球陣列相比，更大的球形太陽(yáng)能電池可以提供更高的效率和覆蓋率。

要制造出大的球形太陽(yáng)能電池，研究人員需要在15%的平板太陽(yáng)能電池上刻蝕出交替的凹槽，以形成一個(gè)中間連接的橢圓形帶狀圖案。CO2激光在覆蓋太陽(yáng)能電池的聚合物硬掩模中產(chǎn)生了合適的圖案，并允許一個(gè)深度反應(yīng)離子刻蝕工具在硅太陽(yáng)能電池的暴露區(qū)域產(chǎn)生凹槽。這些凹槽區(qū)域的彎曲幫助研究人員隨后將太陽(yáng)能電池折疊成球形。

在被蝕刻的區(qū)域，太陽(yáng)能電池材料的損耗降低了整體潛在的太陽(yáng)能輸出。但研究人員認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，在世界某些地區(qū)，球形太陽(yáng)能電池比平板太陽(yáng)能電池的成本更高，因?yàn)榍蛐卧O(shè)計(jì)不太容易灰塵積聚，可能有助于散熱，否則可能會(huì)降低太陽(yáng)能電池的效率。此外，球形太陽(yáng)能電池不需要額外昂貴的移動(dòng)部件來(lái)持續(xù)跟蹤太陽(yáng)。

不過(guò)，麻省理工學(xué)院的Liu教授說(shuō)，在公用事業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電廠中，球形太陽(yáng)能電池可能無(wú)法取代傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池技術(shù)。在他看來(lái)，這種特殊的球形太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)可以在更多其他市場(chǎng)應(yīng)用中得到發(fā)揮。

“球形設(shè)計(jì)的應(yīng)用似乎非常有限，但將商業(yè)硅太陽(yáng)能電池制成任何形狀的能力，將使光伏廣泛應(yīng)用于自主設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和自主車輛，”Liu說(shuō)?！叭绻覀兡苡贸尚偷墓夥姵匕逋耆珵檫@些自主設(shè)備供電，這可能會(huì)改變游戲規(guī)則?！?/p>

在未來(lái)的測(cè)試中，Liu說(shuō)他想看看球形太陽(yáng)能電池在一天中不同的時(shí)間在室外和室內(nèi)照明環(huán)境中是如何工作的。他還想看看球形太陽(yáng)能電池能在多大程度上集成到他們可能提供能量的某些應(yīng)用中。他很想看到一個(gè)“量化成本”的總結(jié)，總結(jié)出制造這種球形太陽(yáng)能電池所需的所有加工步驟，以便更好地了解該技術(shù)的商業(yè)化潛力。

KAUST大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，也是該研究的合著者之一的Muhammad Mustafa Hussain表示，沙特的研究人員在最新的演示中不得不手動(dòng)折疊并形成球形太陽(yáng)能電池，但他們已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用“機(jī)器人手”模擬手動(dòng)折疊的自動(dòng)化方法。

最終，Hussain和他的同事設(shè)想建造和測(cè)試大型球形太陽(yáng)能電池陣列。他們已經(jīng)在研究類似帳篷或雨傘的新形狀，看看它們是否有什么好處。他們還將太陽(yáng)能電池與形狀奇特的無(wú)人機(jī)表面整合。

迫使研究實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉的COVID-19大流行病推遲了沙特研究小組最初的戶外測(cè)試計(jì)劃。但Hussain表示，該組織仍計(jì)劃在2020年底前推進(jìn)實(shí)地試驗(yàn)。他希望KAUST校友網(wǎng)絡(luò)能幫助加州以及孟加拉國(guó)、中國(guó)、印度、韓國(guó)、德國(guó)、西班牙、巴西、哥倫比亞、墨西哥、南非、澳大利亞和新西蘭等國(guó)最終測(cè)試球形太陽(yáng)能電池。

Hussain說(shuō)：“我們將為100平方英尺到1000平方英尺的區(qū)域創(chuàng)建球形單元陣列，并將功能性優(yōu)于成本效益與傳統(tǒng)單元進(jìn)行比較。下一步，我們將全年在不同的地理位置部署它，以了解它的性能和可靠性?！?br /> ? ? ? ?責(zé)任編輯:pj