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复旦研发新型材料制太阳能电池 可随时随地“发电”

我想知道你是否想过有一天你穿在身上的衣服、戴在头上的帽子和手里的包都能够“发电”并给“垂死”的手机充电?你能想象在现在占地面积很大的发电站里,未来只需要一台桌子那么大的机器就能发电吗?

复旦大学高级材料实验室和高分子科学系彭惠生教授的研究小组最近成功开发了一种新型的以为导向的碳纳米管纤维能源装置,使开发完全纤维状的“能源系统成为关键的一步”。基于该技术制造的新型太阳能纤维电池有望实现人类随时随地高效利用太阳能的梦想。

日夜皆知的黑人

彭惠生教授的团队新开发了这种新型、灵活的纤维能量集成装置,可以制成像发丝一样薄的纤维太阳能电池,直径只有60-100微米(1毫米=1000微米)。纤维是指它们可以像普通化学纤维一样编织成衣服和裤子等纺织品,从而使这些裤子和裤子作为一个整体成为一个大的太阳能电池并实现它们的“发电”。

近年来,人们对能源问题的关注不断增加,专家学者将它列为人类未来生存的最大挑战。除了使用传统的有限能源,如煤和石油,未来的能源使用结构将发生巨大的变化。太阳能、风能和地热能等新能源的使用将成为主流。除了太阳能,其他新能源高度依赖自然条件。然而,目前优势明显的太阳能利用率不到1%。可以想象,还有发展的空间。太阳能电池是具有广泛应用价值的领域之一。传统的平板太阳能电池在应用场合和活动范围上有一定的局限性,在面积和方向上对太阳光的入射角也有很大的限制。

但是彭教授的太阳能电池不存在这些问题。令人惊讶的是,与现有的太阳能电池不同,彭教授开发的新型太阳能纤维电池还实现了阳光转化为电能,同时储存能量,而不需要外部蓄电池或储能设备。这样,即使在没有阳光和对光电能量有更大需求的夜晚,人们也可以随心所欲地使用太阳能。

在光纤上实现发电和储能是彭惠生教授研究小组最重要的突破之一。相关研究结果已作为封面文章发表在最新一期权威国际期刊《应用化学》(安吉万德化学国际版,影响因素13.5)上。负责审核期刊的专家一致认为,彭惠生的研究小组采用了“非常简单、低成本的方法”在全球“首次在光纤上同时实现光电转换和储能”,大大提高了太阳能的利用效率,“为整个光纤能源系统迈出了关键一步”。

据统计,定向碳纳米纤维能源器件的成功开发为下一代光伏器件的发展指明了一个充满希望的新方向,为线性能源器件的大规模应用奠定了良好的基础。

无污染、高效、低成本

传统太阳能电池大多由单晶硅制成,不仅成本相对较高,而且生产过程中能耗高、污染大,对环境影响大。复旦团队使用的碳纳米管纤维材料可以很好地解决未来太阳能电池的这些问题。

碳纳米管纤维,直径相当于发丝,长度数百米,具有重量轻、强度大的特点。其比强度和比刚度比目前大规模使用的工程纤维材料高几倍,如杜邦公司的尼龙钢丝和眼镜蛇纤维材料(kevlar)。碳纳米管纤维在防弹衣、航空航天、医疗和运动器材等领域显示出重要的应用前景。

将碳纳米纤维制成太阳能电池的过程基本无污染,效率高,成本低,制造工艺相对简单,有可能大量稳定生产。通用电气公司

利用碳纳米材料制造纤维状新能源器件,突破制造理念和技术的难题,是彭惠生教授研究小组近年来在重点研究领域的应用成果。然而,他们对碳纳米管和聚合物复合材料在能源领域应用的研究是目前国际材料领域的热点。

除了定向碳纳米管纤维在太阳能电池制造中的成功应用之外,不久前,彭教授的研究小组还成功开发了新型线性微型超级电容器和使用这种纤维材料作为电极的锂离子电池。国际权威期刊《先进材料》(高级材料,影响因子13.9)也以封面文章的形式公布了研究结果。

研究可能会开辟新的方向。

彭惠生教授认为,他们研究的成功主要是因为他们专注于优化碳纳米管的结构,从而大大改善能源材料的相关性能。然而,在此之前,无论是学术界还是工业界,主要的尝试是使用随机碳纳米管作为下一代太阳能电池或锂离子电池的电极或活性材料。然而,由于接触点数量多,随机碳纳米管不利于电荷的快速分离和传输,因此相关电池性能的改善非常有限。

彭教授的研究小组利用碳纳米管纤维材料制作了一系列高效的线性染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池,具有良好的柔韧性和可制动性,最高光电转换效率超过9%;使用相同的纤维材料也成功地构建了微型线性超级电容器。然而,新开发的集光电转换和储能于一体的纤维状太阳能电池和线性锂离子电池,进一步提高了相关性能指标,为线性能源器件的大规模应用奠定了良好的基础。

彭教授说他们所做的是实验室的原创性研究工作,这是一种新的方式,可能会开辟一个新的方向。然而,这些新概念和新技术的应用研究以及工艺制备技术的发展仍然需要广大研究者的共同努力。也许我们可以想象,在未来,由新纤维制成的超级太阳能发电机和超级电池将成为普通人生活中不可或缺的伙伴,为人类社会提供源源不断的清洁电力。

通讯员卢单涛云朔



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