靈感來自昆蟲複眼！新型鈣鈦礦電池設計獨具匠心

導讀

最近，美國斯坦福大學的研究團隊受到昆蟲複眼啟發，將微型鈣鈦礦太陽能電池單元組織在一起，形成一種蜂窩狀結構，防止鈣鈦礦材料受到濕、熱或者機械應力影響時性能出現退化，提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和耐用性。

關鍵字

鈣鈦礦、太陽能、電池、材料

背景

鈣鈦礦型材料，具有極佳的光電特性，例如強大的光線吸收能力以及電荷傳輸能力，因此最近成為了科學界與產業界關注的熱點。之前，筆者也在多篇文章中介紹過鈣鈦礦的技術進展，以及在太陽能電池、數據存儲設備、可見光通信等方面的一些應用。

但是，正如今天要介紹的創新技術的論文作者之一、斯坦福大學材料科學和工程專業教授、論文的資深作者 Reinhold Dauskardt 所說：

「鈣鈦礦是一種很有前途的低成本材料，它將太陽光轉化為電能，且效率可以與傳統的硅基太陽能電池相媲美。可問題是，鈣鈦礦非常不穩定，而且物理上很易碎。他們很難在製造過程中存活下來，更不用說在環境中持久耐用了。」

對於鈣鈦礦太陽能電池的「穩定性和耐用性」問題，筆者曾在《鈣鈦礦技術新進展：改善太陽能電池和LED應用！》一文中，介紹過日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）一項創新研究進展：他們給太陽能電池又額外添加了一層，這一層由聚合物製成，可以防止氧化鈦層和鈣鈦礦層之間的直接接觸，從而有效地保護了鈣鈦礦結構，延長了鈣鈦礦太陽能電池的壽命。

（圖片來源：美國化學會）

創新

為了突破鈣鈦礦太陽能電池穩定性和耐用性差這一關鍵瓶頸，我們今天再介紹美國斯坦福大學研究團隊的一項最新研究成果，他們的設計靈感來源於昆蟲複眼。

仿造昆蟲複眼中的「小眼面」，科學家們將微型太陽能電池單元組織在一起，形成一種蜂窩狀結構，防止易碎的光伏材料「鈣鈦礦」在受到濕、熱或者機械應力的影響時，性能出現退化。

（圖片來源：Dauskardt Lab/斯坦福大學）

這項研究發表於《能源與環境科學》 （E&ES）期刊。

技術

大多數太陽能設備，例如屋頂的太陽能板，採用的是一種平面結構的設計。

（圖片來源：維基百科）

然而，這種方案對於鈣鈦礦太陽能電池來說，效果並不好。這與鈣鈦礦材料本身有著很大的關係，論文的合作領導作者、研究生 Nicholas Rolston 表示：

「鈣鈦礦是我們實驗室測試過的最易碎的材料。這種易碎性與鈣鈦礦易碎的鹽類晶體結構相關，它的機械特性類似於食鹽。」

為了應對耐久性方面的挑戰，斯坦福大學的團隊從大自然中尋找靈感，他們想到了昆蟲的複眼。

（圖片來源：Thomas Shahan/CC）

關於複眼，之前讀過筆者文章的朋友一定不會陌生。筆者曾在《「複眼技術」攝像頭：讓智能手機未來變得更薄！》一文中介紹過複眼和複眼技術。複眼技術，作為一項仿生學技術，目前已經應用於運動目標的監控等多個領域，其中包括自動目標識別(ATR)技術，例如美國的反衛星武器研究，法國的機器人視覺系統研究中都利用過此項技術。

同時，在那篇文章中還重點介紹了一個非常有意思的應用案例：德國科學家模仿昆蟲複眼，開發出「小眼視覺」攝像頭，使得智能手機攝像頭部分變得更薄，從而使得手機整體變得更美觀。

那麼，複眼對於改善鈣鈦礦電池的穩定性和耐用性又提供了什麼靈感？

Dauskardt 解釋如下：

「我們受到了由幾百個小眼面組成的飛蟲複眼的啟發。它具有美麗的蜂窩狀結構，且內置多餘度：如果你失去一個小眼面，其他幾百個照樣可以工作。雖然每個小眼面都十分脆弱，但是它被周圍的支架牆保護起來。」

因此，研究人員使用複眼作為模型，設計出一種複合的太陽能電池，這是一種由鈣鈦礦微型太陽能電池組成的巨大蜂窩結構，每個微型太陽能電池都密封在一個六角形的支架（寬度僅500微米）內部。Rolston 表示：

「支架由廣泛應用於微電子工業的廉價的環氧樹脂製成。它可以抵抗機械應力，所以對於斷裂的抵抗性更強。」

（圖片來源：Dauskardt Lab/斯坦福大學）

研究期間的測試顯示，支架材料對於鈣鈦礦將光線轉化為電力的性能影響很小。Dauskardt 表示：

「對於每個微型鈣鈦礦電池來說，我們得到了與平面太陽能電池幾乎同樣的能量轉化效率。所以，我們在極大提升抗斷裂性的同時，也不會犧牲效率。」

但是，這種新設備可以承受得住傳統的屋頂太陽能板所能承受的高溫和濕度嗎？

為此，研究人員將密封的鈣鈦礦電池暴露於185華氏度（85攝氏度）的高溫和85%的相對濕度條件下達6周。儘管處於這樣的極端條件下，電池仍然能夠以相對較高的效率產生電力。

價值

（圖片來源：Dauskardt Lab/斯坦福大學）

這項研究的價值非常明顯，它在保證鈣鈦礦太陽能電池效率的同時，提高了其穩定性和耐用性，它將為新一代的高級光伏系統鋪平道路。

Dauskardt 及其同事們已經為這項新技術申請了一個臨時專利。為了提高效率，他們正在研究新的方法，將光線從支架散射到每個電池的鈣鈦礦核心。他說：

「我們對於這些結果感到非常興奮。這是一種設計太陽能電池的新思路。這些支架單元看上去也非常酷，所以在現實世界的應用中，還會存在一些有意思的美學可能性。」

參考資料

【1】http://news.stanford.edu/2017/08/31/new-solar-cell-inspired-insect-eyes/

【2】http://dx.doi.org/10.1039/C7EE02185B

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