进化论为更高效太阳能电池设计注入灵感
发布时间：2013-2-15 15:08
发布者：Liming
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太阳能源几乎无穷无尽，但通过晶体硅太阳能电池将其转变为电力的成本确实极其昂贵，几乎是煤炭发电成本的十倍。有机太阳能电池（聚合物太阳能电池）有望成为一种解决方案。不过，聚合物的电气性质并不理想，有机太阳能电池的设计仍存有缺陷。 目前，美国西北大学（Northwestern University）研究人员针对有机太阳能电池研发新型设计，可令太阳能发电效率更高，成本更低。 研究人员寻求设计散射层的几何图案能够令保存在电池中的光线数额最大化，并不打算通过改变太阳能电池聚合物层的厚度来达到这一目的。 通过使用于自然进化的数学搜索算法，研究人员精确的设计出特定几何模型，以最大程度 的捕捉太阳光以及将其储存在薄型有机太阳能电池之中。 这一最终设计的效率比20世纪80年代研发的热力学极限Yablonovitch Limit高出三倍。 在这类新型有机太阳能电池中，光线首先进入100纳米厚的“散射层“（可以最大程度将光线传送至电池的几何图案介电层），随后被输往活跃层，并在那里被转换成电力。 西北大学麦考密克（McCormick）工程和应用科学学院助理教授论文共同作者之一Cheng Sun表示：“我们需要确定散射层的几何图案，确保其能够发挥最佳性能。” “不过，鉴于可能性较多，从哪里着手仍很棘手。因此，我们寻求自然选择规律来指引我们。” 麦考密克工程和应用科学学院教授Wei Chen解释道：“研究人员选择遗传算法来进行研发，这是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。” Chen称：“鉴于系统高度的非线性与不规则行为，你必须使用一种智能方案来寻找到最佳解决方案。我们的研究方案是基于生物进化过程中的优胜劣汰。” 研究人员以数十个随机设计元素开始，将其“配对”，随后分析它们的“后代”来确定光捕获性能。这一过程将超过20代。 这种模式将由合作伙伴美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）制造。(Solarzoom) 海运需要防爆构造的太阳能电池模块 现在，太阳能电池在众多领域都愈发受到期待。其中，对防爆构造太阳能电池存在需求的是国际海运领域。作为改善船舶燃效的手段之一，太阳能电池肩负众望。 2013年1月新的船舶二氧化碳排放量限制标准被公布，不达标的新船将不允许建造。今后，这一限制标准似乎还会更加严格。因此，利用太阳能电池减少向船内供电的柴油发电机燃料用量的研究应运而生。海运公司如今正在通过试制配备太阳能电池的汽车运输船，着手解决技术课题。 不只是汽车运输船，在为LNG运输船、石油运输船等运输大量燃料的船舶配备太阳能电池时，船只需要配备前面提到的具有防爆构造的太阳能电池模块。实现防爆构造的方法多种多样，例如采用完全密闭结构隔绝外部空气，从构造上杜绝火花的发生等，但无论是哪一种方法，实现起来都不容易。而且，成本和重量也需要加以控制。 某海运公司的技术人员说：“我们曾经找过太阳能电池企业商量，但没得到回应。”的确，当时太阳能电池企业光是应付住宅屋顶和百万瓦级太阳能电站就已经应接不暇，没有余力再去关注新领域。 但时至今日，涉足门槛较低的标准太阳能电池模块的价格“跌跌不休”，太阳能电池厂商陷入了困境。因此，为了提高盈利能力，太阳能电池企业已经迈出了开拓新的高端领域的步伐。某太阳能电池企业的技术人员坚定地表示，“我们要通过构筑门槛赚钱。即使单一领域的市场规模小，只要多管齐下就会有收益”。 对太阳能电池寄予期望的不只是船舶。农田需要不影响农作物生长的太阳能电池，大厦需要可以安装在墙面上的太阳能电池，室内需要最适合室内照明的太阳能电池，可穿戴领域则需要能够拉伸、制作成布料的太阳能电池。 随着众多领域对太阳能电池的期待与日俱增，太阳能电池企业也已开始全身心地投入到新领域的开拓之中。今后，可能会有各种各样的太阳能电池登场。 |
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