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美科學家發(fā)現(xiàn)可高效吸光的材料 可使太陽能電池能夠在深水中供能

鉅大LARGE  |  點擊量:1083次  |  2020年05月09日  

美國科學家發(fā)現(xiàn),有很多被忽視的有機或無機材料可在水下利用太陽光,從而為自動潛水器高效供能。近日發(fā)表于《焦耳》的這項研究,為不同水深制定了最優(yōu)帶隙值準則,闡明了多種寬帶隙半導體是水下使用的最佳裝備,而非傳統(tǒng)硅太陽能電池中的窄帶隙半導體。


論文作者之一、紐約大學坦登工程學院博士后研究員Jason?A.R?hr說:“截至目前,總體趨勢是使用傳統(tǒng)硅電池,但我們發(fā)現(xiàn)它遠不盡人意,一旦深度較深,硅會吸收大量紅光和紅外光,而水也會吸收這兩種光。有了我們制定的準則,更多優(yōu)選材料將被開發(fā)出來。”


例如用于探索深海的潛水器,目前正受限于陸上電力或機載電池不足,導致無法實現(xiàn)遠距離及長時間航行。太陽能電池技術(shù)已經(jīng)從陸地進入外太空,這給了潛水器更多自由漫游的機會。但水下世界存在獨特的挑戰(zhàn)。水能夠散射并吸收大多可見光譜,在較淺深度時便吸收了紅色太陽能波長,使硅基太陽能電池毫無捕捉機會。


先前大多試圖開發(fā)水下太陽能電池的研究都是基于硅或非晶硅,它們帶隙較窄,是陸地上吸收光照的最佳選擇。然而,在其他光波波長消失時,藍光和黃光依然可以深入穿透水體,這表明傳統(tǒng)太陽能電池中不采用的寬帶隙半導體可能是水下功能的更好選擇。


為了更好理解水下太陽能電池的潛能,R?hr和同事測試了從太平洋到大西洋的最清澈水域,以及渾濁的芬蘭湖泊的水體,利用一個精準平衡的模型測定了太陽能電池在每個地點的效率極限。發(fā)現(xiàn)太陽能電池可在地球最清澈的水體50米深處吸收太陽能,而寒冷的水能進一步提高電池效率。


經(jīng)研究人員計算,太陽能電池吸收器在水下2米、以1.8電子伏特帶隙,或水下50米、以2.4電子伏特帶隙能夠發(fā)揮最佳功能。這些數(shù)值在所有研究水域中保持恒定,證明太陽能電池應根據(jù)特定工作深度而非水域位置來設(shè)制。


R?hr注意到,能夠在低光線條件下較好發(fā)揮功能的廉價有機材料太陽能電池,以及由3到5種元素制成的合金也是深水中的理想材料。雖然構(gòu)成這些半導體的物質(zhì)與陸地用太陽能電池不同,但整體設(shè)計依然相似。


“太陽光吸收材料必須做出改變,但答案的設(shè)計并不需要大的改動。”R?hr說,“為了防止環(huán)境中的損傷,傳統(tǒng)的硅太陽能電池板——就是可以在房頂上找到的那種——經(jīng)過了封裝。研究顯示,這些電池板在沒有持續(xù)損傷的情況下,可以浸入水中工作數(shù)月。優(yōu)選材料所制成的太陽能電池板也可以采取類似的封裝方法。”現(xiàn)在他們已經(jīng)揭示了水下太陽能電池高效工作的要點,研究人員計劃研發(fā)優(yōu)選材料。


“這會非常有趣!”R?hr說,“我們已經(jīng)研究出了在水下高度穩(wěn)定的未封裝有機電池,但依然需要證明這種電池比傳統(tǒng)電池更高效。我們相信不久就會在市場上見到新型的令人激動的太陽能電池。”


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