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東華大學王宏志教授課題組在趨光可行走太陽能電池領域取得重要進展
2019-11-18  來源:高分子科技

  太陽能作為一種干凈無污染的可再生能源,具有其它能源無可比擬的優點。目前絕大多數太陽能電池都是平板形狀,這種太陽能面板雖然可以采用機械技術使其隨著太陽一天的移動路徑而轉動角度,但由于實際應用環境(太陽高度角和太陽直射點)復雜多變,現有的大型太陽能電池陣列無法實時改變其位置,這意味著它們無法充分利用太陽能,這一設計仍然具有很大的局限性。考慮到電子產品的小型化和自動化的趨勢,應日益重視自我驅動微能量技術,急需提出一種新的材料設計策略來實現自變形和趨光可行走太陽能電池。

圖(1)趨光可行走鈣鈦礦太陽能電池的結構設計

  在大自然中,向日葵是一種最典型的“心中有太陽,跟著陽光走”的植物。汲取了向日葵趨光綻放的靈感,東華大學纖維材料改性國家重點實驗室,材料科學與工程學院王宏志教授課題組采用簡單且高效的方法將鈣鈦礦太陽能電池與致動模塊進行有機結合,研制出了能在復雜環境中快速、自主改變形狀位置以實現可持續的能量富集的趨光可行走太陽能電池。

圖(2)趨光可行走鈣鈦礦太陽能電池的致動原理

  在這項工作中,研究人員采用水熱合成的二氧化錫(LT-SnO2)作為電子傳遞層(ETL)得到了輕質柔性高性能鈣鈦礦太陽能電池,在確保致動模塊能負載前行的同時實現了高達17.75%的光電轉換效率。致動模塊選用低密度聚乙烯(LDPE)/聚丙烯(PP)雙層復合材料結構,其制造過程簡單且材料來源廣泛,適合于宏量制備。研究發現,隨著環境溫度升高,LDPE晶體在微觀形貌上變化較大,非晶分子鏈被拉長(展開),導致宏觀形貌上的膨脹,而PP晶體卻無多大變化。研究團隊基于兩者之間隨溫度改變的微觀形貌上的巨大差別而導致宏觀熱性能的不同,設計了雙層結構LDPE/PP致動模塊。仿真分析表明,致動模塊在冷卻后各部分的殘余應力基本一致,足以使器件在短時間內恢復到初始狀態。基于上述結構設計的高效趨光可行走鈣鈦礦太陽能電池具有快速行走能力、出色的機械強度及穩定性,在趨光行走期間還能持續且高效地輸出電能。隨著進一步的發展,這種復合能源收集設備將會最大限度地利用太陽能,并為傳感器、機器人等小微設備提供實時高效的移動能源。

圖(3)趨光可行走鈣鈦礦太陽能電池行走過程的動態分析

圖(4)趨光可行走鈣鈦礦太陽能電池的實時輸出

  相關論文以“Highly Efficient Walking Perovskite Solar Cells Based on Thermomechanical Polymer Films”為題,發表在本領域高水平期刊Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c9ta09336b.)上。東華大學材料學院博士生戚佳斌為第一作者,張青紅研究員王宏志教授為共同通訊作者。該研究成果得到了中央高校基本科研業務費、國家自然科學基金、上海市科委、東華大學研究生創新基金等的大力資助。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA09336B#!divAbstract

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