球形太阳能电池设计可以在更多其他市场应用中得到发挥

当涉及到充分利用每天可用的阳光时，平板太阳能电池板仍然面临着很大的限制。一种新的球形太阳能电池设计旨在从几乎每个角度提高太阳能收集潜力，而不需要昂贵的运动部件来跟踪太阳在天空中的明显运动。

据悉，沙特研究人员设计的球形太阳能电池原型是一个微小的蓝色球体，一个人可以像乒乓球一样轻松地用一只手握住它。利用太阳模拟器灯进行的室内实验已经表明，与地面面积相同的平板太阳能电池相比，它可以实现15%到100%的功率输出，这取决于背景材料如何将阳光反射到球形太阳能电池中。该研究小组希望其自然启发的设计能在未来的世界各地的许多不同地点的实地测试中同样成功。

阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）微系统工程博士后研究员Nazek El-Atab说：“家蝇眼睛的位置和形状增加了它们的角度视野，因此它们可以在水平视野中看到周围大约270度的角度。类似地，球形建筑增加了太阳能电池的‘角度视野’，这意味着它可以从更多的方向收集阳光。”

为了创建球形太阳能电池设计，El Atab和她的同事们在之前的工作基础上，演示了如何基于波纹槽技术创建更薄、更灵活的太阳能电池设计。这项新的工作在一篇提交给MRS Communications杂志审查的论文中作了详细说明。

Photo： Nazek El-Atab/KAUSTMeasurement setup of the spherical solar cell under a solar simulator in air and using a regular a white paper as the reflective background material.

利用太阳模拟器灯进行的测试表明，球形太阳能电池在直接暴露于阳光下时，比传统的平板太阳能电池提供24%的功率输出。在这两种类型的太阳能电池开始升温并在能效方面遭受一些损失之后，这种功率优势跃升至39%，这表明球形在散热方面可能具有一些优势。

当球形太阳能电池只能在模拟屋顶下收集散射的阳光，而不能直接接收阳光时，球形太阳能电池的输出功率也比平板太阳能电池高出约60%。在铝杯、铝纸、白纸和沙子等不同反射背景下的附加实验表明，六边形铝杯背景有助于球形太阳能电池在功率输出方面优于平板太阳能电池100%。

沙特团队利用目前占世界太阳能发电量近90%的单晶硅太阳能电池制造了球形太阳能电池。这种选择源于这样一个目标，即帮助最大限度地发挥太阳能电池的集光潜力，以及如果设计证明具有成本效益，则有可能更容易扩大生产规模。

麻省理工学院太阳能工程博士后研究员Zhe Liu说：“让我感到惊讶的是，作者在一系列文章中证明了使用波纹技术可以实现刚性硅太阳能电池的超柔性。我对制造球形电池的能力更为兴奋，这意味着你可以让工业IBC型（interdigitated back contact）硅太阳能电池覆盖任何形状，并在任何地方‘日光化’。”

沙特阿拉伯吉达大学（University of Jeddah）物理学助理教授Rabab Bahabry说，以前的太阳能电池设计已经制造出微小的微型球形电池，有时在平面上用纳米线或量子点电池制造，以帮助更好地收集直接和散射的阳光。但在收集背景表面反射的太阳光方面，与微球阵列相比，更大的球形太阳能电池可以提供更高的效率和覆盖率。

要制造出大的球形太阳能电池，研究人员需要在15%的平板太阳能电池上刻蚀出交替的凹槽，以形成一个中间连接的椭圆形带状图案。CO2激光在覆盖太阳能电池的聚合物硬掩模中产生了合适的图案，并允许一个深度反应离子刻蚀工具在硅太阳能电池的暴露区域产生凹槽。这些凹槽区域的弯曲帮助研究人员随后将太阳能电池折叠成球形。

在被蚀刻的区域，太阳能电池材料的损耗降低了整体潜在的太阳能输出。但研究人员认为，随着时间的推移，在世界某些地区，球形太阳能电池比平板太阳能电池的成本更高，因为球形设计不太容易灰尘积聚，可能有助于散热，否则可能会降低太阳能电池的效率。此外，球形太阳能电池不需要额外昂贵的移动部件来持续跟踪太阳。

不过，麻省理工学院的Liu教授说，在公用事业规模的太阳能发电厂中，球形太阳能电池可能无法取代传统的太阳能电池技术。在他看来，这种特殊的球形太阳能电池设计可以在更多其他市场应用中得到发挥。

“球形设计的应用似乎非常有限，但将商业硅太阳能电池制成任何形状的能力，将使光伏广泛应用于自主设备，如物联网（IoT）传感器和自主车辆，”Liu说。“如果我们能用成型的光伏电池板完全为这些自主设备供电，这可能会改变游戏规则。”

在未来的测试中，Liu说他想看看球形太阳能电池在一天中不同的时间在室外和室内照明环境中是如何工作的。他还想看看球形太阳能电池能在多大程度上集成到他们可能提供能量的某些应用中。他很想看到一个“量化成本”的总结，总结出制造这种球形太阳能电池所需的所有加工步骤，以便更好地了解该技术的商业化潜力。

KAUST大学电气和计算机工程教授，也是该研究的合著者之一的Muhammad Mustafa Hussain表示，沙特的研究人员在最新的演示中不得不手动折叠并形成球形太阳能电池，但他们已经开始设计和开发使用“机器人手”模拟手动折叠的自动化方法。

最终，Hussain和他的同事设想建造和测试大型球形太阳能电池阵列。他们已经在研究类似帐篷或雨伞的新形状，看看它们是否有什么好处。他们还将太阳能电池与形状奇特的无人机表面整合。

迫使研究实验室关闭的COVID-19大流行病推迟了沙特研究小组最初的户外测试计划。但Hussain表示，该组织仍计划在2020年底前推进实地试验。他希望KAUST校友网络能帮助加州以及孟加拉国、中国、印度、韩国、德国、西班牙、巴西、哥伦比亚、墨西哥、南非、澳大利亚和新西兰等国最终测试球形太阳能电池。

Hussain说：“我们将为100平方英尺到1000平方英尺的区域创建球形单元阵列，并将功能性优于成本效益与传统单元进行比较。下一步，我们将全年在不同的地理位置部署它，以了解它的性能和可靠性。”
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