系统工程

透明太阳能电池板可将窗户变成能源收集器

2020-01-16 11:13:59 友绿网

美国密歇根州立大学(MSU)的一组研究人员开发出一种完全透明的太阳能电池板,这一突破可以应用在建筑领域以及移动电子或汽车行业等其他领域。

MSU团队开发了一种透明的太阳能电池板(TLSC),可以将其放置在窗户或任何其他透明表面上。聚光器可以收集太阳能而不会影响光透射率。该技术使用有机分子吸收人眼不可见的光的波长,例如红外线和紫外线。

“我们可以对这些材料进行调谐,使其仅吸收紫外线和近红外波长的光线,然后在红外光中的另一个波长上'发光'” –理查德·伦特(Rid Lunt),密歇根州立大学工程学院化学工程和材料科学助理教授。捕获的能量被传输到面板的轮廓,在此借助光伏太阳能电池的汇流条将其转换为电能。

技术原理

从科学上讲,透明的太阳能电池板有点矛盾。太阳能电池,特别是光伏电池,通过吸收光子(阳光)并将其转换为电子(电)来产生能量。如果材料是透明的,意味着所有的光通过的通过介质到达您的眼睛。这就是为什么以前的透明太阳能电池实际上只是部分透明的原因,即便如此,它们通常也会投射出五颜六色的阴影。

为了克服这一限制,密歇根州立大学的研究人员使用了一种略有不同的技术来收集阳光。他们没有尝试创建透明的光伏电池(这几乎是不可能的),而是使用透明的发光太阳能聚光器(TLSC)。发光太阳能聚光器(LSC)是一块透明的塑料或玻璃,上面嵌入或涂有荧光染料或量子点。染料吸收光,然后发出荧光,产生一种辉光,该辉光通过全内反射传播到薄板的边缘,在那里,光被狭窄的太阳能电池吸收。这是一项很有前途的技术,因为它可以收集大面积的几乎透明的玻璃,而使用面积较小的昂贵的太阳能电池。集中系数是孔与边缘的比率。可以调整发光材料以在某些波长(例如紫外线UV)吸收,并在较长的波长处重新发射,在更长的波长处,硅的吸收是最佳的。

如果仔细观察,您会在材料块的边缘看到几个黑条。但是,活性有机材料以及整个太阳能电池板都是高度透明的。

TLSC原型目前的效率约为1%,但他们认为一旦开始生产,就有可能达到10%。非透明的发光聚光器最大约为7%。这些数字本身并不是一个很大的数字,但是从更大的角度来看(房屋或办公大楼中的每个窗户),这些数字是可以累加的。而且,虽然我们可能不是在讨论一种可以使您的智能手机或平板电脑无限期运行的技术,但用TLSC替换设备的显示屏可以为您节省几分钟或几个小时的电池使用时间。

伦特在接受密歇根州立大学今日博客采访时说:“它开辟了很多区域,以非侵入性的方式部署太阳能。” “它可以用于带有许多窗户的高层建筑,或任何需要高美学质量的移动设备,例如电话或电子阅读器。最终,我们要制造甚至不知道在那里的太阳能集热表面。”

研究人员相信,该技术可以一直扩展到从大型工业和商业应用到消费设备,并保持价格合理。迄今为止,大规模采用太阳能的最大障碍之一是太阳能电池板的侵入性和损害美观—显然,如果我们能够从看起来像普通玻璃板的玻璃和塑料板中产生大量太阳能,和塑料,那将是不可思议的。

这一发展将使建筑物的外墙得到最大的利用,因为垂直高度通常比屋顶的要大,尤其是对于玻璃幕墙建筑。因此,在不更改建筑设计的情况下,透明太阳能面板的太阳能收集将,该技术可以轻松地集成到旧建筑物中。

早期的研究

早在2011年,还是麻省理工学院电子研究实验室的博士后研究员得理查德·伦特博士就已经开始开展这方面的研究。当年他在接受《纽约时报》采访时说:“我们认为将它们整合到高层建筑中的潜力很大。”

先前对透明太阳能电池的尝试要么未能实现高效率,要么阻挡了太多的光而无法在窗户中使用。但是,这种新型电池基于类似于染料和颜料的有机分子,被定制为仅吸收近红外光谱,并且有潜力以相对较高的效率将光转化为电能。

在开发新型太阳能电池的商业应用中,最大的挑战将是寿命。单元格可以包装在双窗格式窗口的中间,这将提供对元素的保护。但是,电池的寿命仍然需要接近窗户本身的寿命,几十年后才可以更换。

麻省理工学院电气工程学教授弗拉基米尔·布洛维奇(Vladimir Bulovic)说:“要使该功能真正有用,就必须延长其使用寿命,并确保其使用寿命至少达到20年,甚至更长。”布洛维奇先生说,先前为延长与有机太阳能电池具有特性的有机发光二极管或LED的寿命所做的工作表明,寿命并不是一个特别困难的问题。他说:“目前看来,这是一个工程问题。” “我希望在十年内将解决这些问题。”

如果电池可以制造得很耐用,则它们可以相对便宜地集成到窗户中,因为常规光伏电池的大部分成本不是来自太阳能电池本身,而是来自安装在铝和玻璃上的材料。用太阳能电池涂覆现有结构将消除一些材料成本。

伦特博士说,如果透明电池最终证明在商业上可行,那么它们产生的能量将大大抵消大型建筑物的能源消耗。

目前,该团队正在努力提高能源生产效率,目前该效率为1%。目标是超过5%。如果开发成功,那么该材料的应用潜力将是无限的。密苏里州立大学的研究团队成员包括赵一木,本杰明·莱文和加勒特·米克。

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