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當(dāng)涉及到充分利用每天可用的陽光時，平板太陽能電池板仍然面臨著很大的限制。一種新的球形太陽能電池設(shè)計旨在從幾乎每個角度提高太陽能收集潛力，而不需要昂貴的運動部件來跟蹤太陽在天空中的明顯運動。
據(jù)悉，沙特研究人員設(shè)計的球形太陽能電池原型是一個微小的藍色球體，一個人可以像乒乓球一樣輕松地用一只手握住它。利用太陽模擬器燈進行的室內(nèi)實驗已經(jīng)表明，與地面面積相同的平板太陽能電池相比，它可以實現(xiàn)15%到100%的功率輸出，這取決于背景材料如何將陽光反射到球形太陽能電池中。該研究小組希望其自然啟發(fā)的設(shè)計能在未來的世界各地的許多不同地點的實地測試中同樣成功。
阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）微系統(tǒng)工程博士后研究員Nazek El-Atab說：“家蠅眼睛的位置和形狀增加了它們的角度視野，因此它們可以在水平視野中看到周圍大約270度的角度。類似地，球形建筑增加了太陽能電池的‘角度視野’，這意味著它可以從更多的方向收集陽光。”
為了創(chuàng)建球形太陽能電池設(shè)計，El Atab和她的同事們在之前的工作基礎(chǔ)上，演示了如何基于波紋槽技術(shù)創(chuàng)建更薄、更靈活的太陽能電池設(shè)計。這項新的工作在一篇提交給MRS Communications雜志審查的論文中作了詳細說明。
利用太陽模擬器燈進行的測試表明，球形太陽能電池在直接暴露于陽光下時，比傳統(tǒng)的平板太陽能電池提供24%的功率輸出。在這兩種類型的太陽能電池開始升溫并在能效方面遭受一些損失之后，這種功率優(yōu)勢躍升至39%，這表明球形在散熱方面可能具有一些優(yōu)勢。
當(dāng)球形太陽能電池只能在模擬屋頂下收集散射的陽光，而不能直接接收陽光時，球形太陽能電池的輸出功率也比平板太陽能電池高出約60%。在鋁杯、鋁紙、白紙和沙子等不同反射背景下的附加實驗表明，六邊形鋁杯背景有助于球形太陽能電池在功率輸出方面優(yōu)于平板太陽能電池100%。
沙特團隊利用目前占世界太陽能發(fā)電量近90%的單晶硅太陽能電池制造了球形太陽能電池。這種選擇源于這樣一個目標(biāo)，即幫助最大限度地發(fā)揮太陽能電池的集光潛力，以及如果設(shè)計證明具有成本效益，則有可能更容易擴大生產(chǎn)規(guī)模。
麻省理工學(xué)院太陽能工程博士后研究員Zhe Liu說：“讓我感到驚訝的是，作者在一系列文章中證明了使用波紋技術(shù)可以實現(xiàn)剛性硅太陽能電池的超柔性。我對制造球形電池的能力更為興奮，這意味著你可以讓工業(yè)IBC型（interdigitated back contact）硅太陽能電池覆蓋任何形狀，并在任何地方‘日光化’。”
沙特阿拉伯吉達大學(xué)（University of Jeddah）物理學(xué)助理教授Rabab Bahabry說，以前的太陽能電池設(shè)計已經(jīng)制造出微小的微型球形電池，有時在平面上用納米線或量子點電池制造，以幫助更好地收集直接和散射的陽光。但在收集背景表面反射的太陽光方面，與微球陣列相比，更大的球形太陽能電池可以提供更高的效率和覆蓋率。
要制造出大的球形太陽能電池，研究人員需要在15%的平板太陽能電池上刻蝕出交替的凹槽，以形成一個中間連接的橢圓形帶狀圖案。CO2激光在覆蓋太陽能電池的聚合物硬掩模中產(chǎn)生了合適的圖案，并允許一個深度反應(yīng)離子刻蝕工具在硅太陽能電池的暴露區(qū)域產(chǎn)生凹槽。這些凹槽區(qū)域的彎曲幫助研究人員隨后將太陽能電池折疊成球形。
在被蝕刻的區(qū)域，太陽能電池材料的損耗降低了整體潛在的太陽能輸出。但研究人員認為，隨著時間的推移，在世界某些地區(qū)，球形太陽能電池比平板太陽能電池的成本更高，因為球形設(shè)計不太容易灰塵積聚，可能有助于散熱，否則可能會降低太陽能電池的效率。此外，球形太陽能電池不需要額外昂貴的移動部件來持續(xù)跟蹤太陽。
不過，麻省理工學(xué)院的Liu教授說，在公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電廠中，球形太陽能電池可能無法取代傳統(tǒng)的太陽能電池技術(shù)。在他看來，這種特殊的球形太陽能電池設(shè)計可以在更多其他市場應(yīng)用中得到發(fā)揮。
“球形設(shè)計的應(yīng)用似乎非常有限，但將商業(yè)硅太陽能電池制成任何形狀的能力，將使光伏廣泛應(yīng)用于自主設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和自主車輛，”Liu說。“如果我們能用成型的光伏電池板完全為這些自主設(shè)備供電，這可能會改變游戲規(guī)則。”
在未來的測試中，Liu說他想看看球形太陽能電池在一天中不同的時間在室外和室內(nèi)照明環(huán)境中是如何工作的。他還想看看球形太陽能電池能在多大程度上集成到他們可能提供能量的某些應(yīng)用中。他很想看到一個“量化成本”的總結(jié)，總結(jié)出制造這種球形太陽能電池所需的所有加工步驟，以便更好地了解該技術(shù)的商業(yè)化潛力。
KAUST大學(xué)電氣和計算機工程教授，也是該研究的合著者之一的Muhammad Mustafa Hussain表示，沙特的研究人員在最新的演示中不得不手動折疊并形成球形太陽能電池，但他們已經(jīng)開始設(shè)計和開發(fā)使用“機器人手”模擬手動折疊的自動化方法。
最終，Hussain和他的同事設(shè)想建造和測試大型球形太陽能電池陣列。他們已經(jīng)在研究類似帳篷或雨傘的新形狀，看看它們是否有什么好處。他們還將太陽能電池與形狀奇特的無人機表面整合。
迫使研究實驗室關(guān)閉的COVID-19大流行病推遲了沙特研究小組最初的戶外測試計劃。但Hussain表示，該組織仍計劃在2020年底前推進實地試驗。他希望KAUST校友網(wǎng)絡(luò)能幫助加州以及孟加拉國、中國、印度、韓國、德國、西班牙、巴西、哥倫比亞、墨西哥、南非、澳大利亞和新西蘭等國最終測試球形太陽能電池。
Hussain說：“我們將為100平方英尺到1000平方英尺的區(qū)域創(chuàng)建球形單元陣列，并將功能性優(yōu)于成本效益與傳統(tǒng)單元進行比較。下一步，我們將全年在不同的地理位置部署它，以了解它的性能和可靠性。”
據(jù)悉，沙特研究人員設(shè)計的球形太陽能電池原型是一個微小的藍色球體，一個人可以像乒乓球一樣輕松地用一只手握住它。利用太陽模擬器燈進行的室內(nèi)實驗已經(jīng)表明，與地面面積相同的平板太陽能電池相比，它可以實現(xiàn)15%到100%的功率輸出，這取決于背景材料如何將陽光反射到球形太陽能電池中。該研究小組希望其自然啟發(fā)的設(shè)計能在未來的世界各地的許多不同地點的實地測試中同樣成功。
阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）微系統(tǒng)工程博士后研究員Nazek El-Atab說：“家蠅眼睛的位置和形狀增加了它們的角度視野，因此它們可以在水平視野中看到周圍大約270度的角度。類似地，球形建筑增加了太陽能電池的‘角度視野’，這意味著它可以從更多的方向收集陽光。”
為了創(chuàng)建球形太陽能電池設(shè)計，El Atab和她的同事們在之前的工作基礎(chǔ)上，演示了如何基于波紋槽技術(shù)創(chuàng)建更薄、更靈活的太陽能電池設(shè)計。這項新的工作在一篇提交給MRS Communications雜志審查的論文中作了詳細說明。
利用太陽模擬器燈進行的測試表明，球形太陽能電池在直接暴露于陽光下時，比傳統(tǒng)的平板太陽能電池提供24%的功率輸出。在這兩種類型的太陽能電池開始升溫并在能效方面遭受一些損失之后，這種功率優(yōu)勢躍升至39%，這表明球形在散熱方面可能具有一些優(yōu)勢。
當(dāng)球形太陽能電池只能在模擬屋頂下收集散射的陽光，而不能直接接收陽光時，球形太陽能電池的輸出功率也比平板太陽能電池高出約60%。在鋁杯、鋁紙、白紙和沙子等不同反射背景下的附加實驗表明，六邊形鋁杯背景有助于球形太陽能電池在功率輸出方面優(yōu)于平板太陽能電池100%。
沙特團隊利用目前占世界太陽能發(fā)電量近90%的單晶硅太陽能電池制造了球形太陽能電池。這種選擇源于這樣一個目標(biāo)，即幫助最大限度地發(fā)揮太陽能電池的集光潛力，以及如果設(shè)計證明具有成本效益，則有可能更容易擴大生產(chǎn)規(guī)模。
麻省理工學(xué)院太陽能工程博士后研究員Zhe Liu說：“讓我感到驚訝的是，作者在一系列文章中證明了使用波紋技術(shù)可以實現(xiàn)剛性硅太陽能電池的超柔性。我對制造球形電池的能力更為興奮，這意味著你可以讓工業(yè)IBC型（interdigitated back contact）硅太陽能電池覆蓋任何形狀，并在任何地方‘日光化’。”
沙特阿拉伯吉達大學(xué)（University of Jeddah）物理學(xué)助理教授Rabab Bahabry說，以前的太陽能電池設(shè)計已經(jīng)制造出微小的微型球形電池，有時在平面上用納米線或量子點電池制造，以幫助更好地收集直接和散射的陽光。但在收集背景表面反射的太陽光方面，與微球陣列相比，更大的球形太陽能電池可以提供更高的效率和覆蓋率。
要制造出大的球形太陽能電池，研究人員需要在15%的平板太陽能電池上刻蝕出交替的凹槽，以形成一個中間連接的橢圓形帶狀圖案。CO2激光在覆蓋太陽能電池的聚合物硬掩模中產(chǎn)生了合適的圖案，并允許一個深度反應(yīng)離子刻蝕工具在硅太陽能電池的暴露區(qū)域產(chǎn)生凹槽。這些凹槽區(qū)域的彎曲幫助研究人員隨后將太陽能電池折疊成球形。
在被蝕刻的區(qū)域，太陽能電池材料的損耗降低了整體潛在的太陽能輸出。但研究人員認為，隨著時間的推移，在世界某些地區(qū)，球形太陽能電池比平板太陽能電池的成本更高，因為球形設(shè)計不太容易灰塵積聚，可能有助于散熱，否則可能會降低太陽能電池的效率。此外，球形太陽能電池不需要額外昂貴的移動部件來持續(xù)跟蹤太陽。
不過，麻省理工學(xué)院的Liu教授說，在公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電廠中，球形太陽能電池可能無法取代傳統(tǒng)的太陽能電池技術(shù)。在他看來，這種特殊的球形太陽能電池設(shè)計可以在更多其他市場應(yīng)用中得到發(fā)揮。
“球形設(shè)計的應(yīng)用似乎非常有限，但將商業(yè)硅太陽能電池制成任何形狀的能力，將使光伏廣泛應(yīng)用于自主設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和自主車輛，”Liu說。“如果我們能用成型的光伏電池板完全為這些自主設(shè)備供電，這可能會改變游戲規(guī)則。”
在未來的測試中，Liu說他想看看球形太陽能電池在一天中不同的時間在室外和室內(nèi)照明環(huán)境中是如何工作的。他還想看看球形太陽能電池能在多大程度上集成到他們可能提供能量的某些應(yīng)用中。他很想看到一個“量化成本”的總結(jié)，總結(jié)出制造這種球形太陽能電池所需的所有加工步驟，以便更好地了解該技術(shù)的商業(yè)化潛力。
KAUST大學(xué)電氣和計算機工程教授，也是該研究的合著者之一的Muhammad Mustafa Hussain表示，沙特的研究人員在最新的演示中不得不手動折疊并形成球形太陽能電池，但他們已經(jīng)開始設(shè)計和開發(fā)使用“機器人手”模擬手動折疊的自動化方法。
最終，Hussain和他的同事設(shè)想建造和測試大型球形太陽能電池陣列。他們已經(jīng)在研究類似帳篷或雨傘的新形狀，看看它們是否有什么好處。他們還將太陽能電池與形狀奇特的無人機表面整合。
迫使研究實驗室關(guān)閉的COVID-19大流行病推遲了沙特研究小組最初的戶外測試計劃。但Hussain表示，該組織仍計劃在2020年底前推進實地試驗。他希望KAUST校友網(wǎng)絡(luò)能幫助加州以及孟加拉國、中國、印度、韓國、德國、西班牙、巴西、哥倫比亞、墨西哥、南非、澳大利亞和新西蘭等國最終測試球形太陽能電池。
Hussain說：“我們將為100平方英尺到1000平方英尺的區(qū)域創(chuàng)建球形單元陣列，并將功能性優(yōu)于成本效益與傳統(tǒng)單元進行比較。下一步，我們將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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