凹凸不平的半球形光伏电池来了：可多收集66%的能量
来源：环球零碳
撰文|Penn
编辑|Tang
→这是《环球零碳》的第969篇原创
随着世界各国迈向净零排放的步伐加快，科技创新和技术进步逐渐成为了绿色转型的关键。
在太阳能技术领域，包括材料、器件、电路、存储和系统在内的各个层面都取得了重大进展，这推动着光伏技术的发展从硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池，进入到了新型太阳能电池。
在此背景下，当前的研究重点是从光学设计的角度在器件层面提高太阳能电池的性能。研究人员已经做出了一系列努力来提高太阳能电池的能量转换效率，提高活性光伏层的光耦合和光保留一直是主要研究方向之一。与此同时，角度覆盖范围也成为了有机光伏电池的另一个性能指标，其对于可穿戴电子系统应用尤其重要。
近日，土耳其阿卜杜拉居尔大学的研究人员提出了一种有机光伏电池结构的半球形壳形状，旨在增强光吸收和角度覆盖。他们采用三维有限元分析方法研究了半球壳状有源层内的吸收光谱。研究表明，在有机太阳能电池表面建造微型圆顶可以将其效率提高三分之二，同时从更广泛的角度捕获光线。
在这项新研究中，研究人员对圆顶形凸起如何增强有机太阳能表面性能进行了复杂的数值模拟，相关研究成果已于2月14日发表在《能源光子学杂志》上。
图说：用于增强吸收和改善角度覆盖的半球壳形有机光伏电池
来源：SPIE
太阳能电池通常是平整的，这可以最大限度地提高在任何给定时间暴露在阳光下的表面面积。当太阳处于一定角度时，这种设计效果最佳，因此面板通常倾斜15到40度之间，以充分利用一天的阳光。
之前的研究证明，与矩形（平面）形状相比，二维(2D)圆形形状在吸收和角度覆盖方面具有优势。在这最新的研究中，研究人员设计了一种新的形状，即半球形壳，作为活性层。
图说：半球壳形(HS)和半圆柱壳形（SC）活性层的太阳能电池阵列
来源：[2]
在研究中，研究团队用一种名为P3HT:ICBA的有机聚合物作为活性层制成的光伏电池，并使用铝作为底部电极，氧化铟锡（ITO，110nm）作为透明顶部电极，活性层位于氧化铟锡（ITO）保护层和铝层与PMMA衬底之间。这种夹层结构贯穿了整个圆顶，即团队所说的“半球形壳”。
图说：半球形形状的PMMA或PMMA/PI基板的制造方法
来源：[2]
为了保持聚合物活性层中的聚合物基底前表面的形状，研究人员指出可以利用软光刻技术，例如微接触印刷，将聚合物活性层从临时基底转移到最终基底，并可以使用传统的沉积方法（例如溅射）来沉积其他薄膜层。
为了检验所提出的半球壳形活性层结构，研究人员进行了3D有限元分析(FEA)，该方法可将复杂系统的元素分解为可管理的块，以进行更好地模拟和分析。
图说：半球形结构的电场空间分布示例
来源：[2]
研究表明，当入射光为横向电(TE)偏振和横向磁(TM)偏振时，与平面结构器件相比，所提出的结构可分别提高66%和36%的吸收率。据了解，与之前报道的半圆柱形壳结构相比，此次研究所提出的半球形壳结构的吸收改善高达13％（TE）和21％（TM）。
同时，所提出结构的角度覆盖范围也得到改善，达到81度（TE）和82度（TM），这对于入射角可以随机变化的可穿戴电子应用非常有用。相比之下，半圆柱形壳结构的角度覆盖范围低于76度。这些改进可归因于通过设备的半球形外壳形状实现更好的光耦合和引导通过活性层。
虽然该团队尚未实际构建这些太阳能电池的物理版本，但如果该原理确实有效，它不仅适用于屋顶太阳能，而且适用于光照条件不断变化的系统，例如可穿戴电子产品。
该研究的作者DooyoungHah教授表示：“凭借改进的吸收和全向性特性，所提出的半球壳形活性层将使有机太阳能电池的各个应用领域均受益，例如生物医学设备，以及发电窗户和温室、物联网（IOT）等。”
首图来源：newatlas
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参考资料：
[1]https://newatlas.com/energy/domes-solar-cells-boost-efficiency-two-thirds/
[2]https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-photonics-for-energy/volume-14/issue-01/018501/Hemispherical-shell-shaped-organic-photovoltaic-cells-for-absorption-enhancement-and/10.1117/1.JPE.14.018501.full?webSyncID=9a74d490-e658-b71c-a7ac-18bacc57304b&sessionGUID=b0730740-8728-a409-c842-7c71c09ab461&_ga=2.99749915.403740089.1708299984-2002273903.1708299983#_=_
[3]https://newatlas.com/nanocrystalline-silicon-nanoshell-photovoltaics/21391/?itm_source=newatlas&itm_medium=article-body
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