斯坦福大学研究人员推出新型3D打印太阳能电池板，能源利用更高效

导读：即使太阳能电池技术已经取得了巨大的进步，但该领域仍存在一定挑战：我们如何有效地从日出到日落不同角度的阳光中收集能量？当阳光直接照射太阳能电池板时，它们的效果最好。为了尽可能多地捕获能量，许多太阳能电池阵列在太阳穿过天空时主动向太阳旋转。这使得它们比固定系统更高效，但构建和维护也更昂贵和复杂。

2022年8月6日，南极熊获悉，加利福尼亚州斯坦福大学的科学家们最近开发了一种用于太阳能电池板的新型3D 打印光学聚光器。这种称为轴向渐变折射率透镜 (AGILE) 的金字塔形透镜装置由工程研究员 Nina Vaidya 设计，能够增加太阳能电池板收集的电力容量，同时降低其生产成本并使工艺更实用。

△渐变折射率玻璃金字塔制造的不同阶段：当与太阳能电池进行光学接触时，最后一步（右下角）的金字塔吸收并集中大部分入射光并呈现暗色。图片来源：Nina Vaidya

随着如今越来越多的人重视地球的生态问题，对生态友好能源的需求比以往任何时候都要高，那些有兴趣改用这种替代品的人已经有了各种不同的选择。例如，太阳能可能是最知名的生态友好型新能源之一，现在已经存在了相当长的时间。尽管它是一个很好的选择这一点毋庸置疑，但其技术仍有很大的改进和创新空间。最近，一项可能彻底改变太阳能收集方式的新发明被发表在《微系统与纳米工程》杂志的7月刊上。

在这篇由斯坦福大学校友和研究员Nina Vaidya及其博士生导师Olav Solgaard教授撰写的论文中，科学家们介绍了一种全新的3D打印设备，它能够比之前任何其他太阳能电池板收集更多的能量。

△这些电池板的形状像倒置的金字塔。图片来源：斯坦福大学

AGILE设备的工作方式

传统的太阳能电池板只有在正确的情况下才能发挥最大的作用。如你所知，阳光是这项技术的能源来源，必须设置在光线能够直接照射到面板平面的准确方向。由于光线的方向在白天会发生变化，许多太阳能电池板会主动向太阳方向旋转，以便尽可能多地捕捉光线。然而，凭借新推出的设备，这种冗长而周密的程序可能很快就会成为多余的。由于其特殊的结构，这种创新的面板结构能够捕捉和集中来自任何角度的阳光，其形状像一个无尖的倒金字塔。这种材料是玻璃和聚合物的组合，使透镜能够将来自不同角度的太阳能集中在一个地方，类似于你用放大镜点燃干草。

△AGILE 设备的阵列图。图片来源：Nina Vaidya

Nina Vaidya解释说："我们想创造一种装置，可以吸收光线并将其集中在同一位置，即使是在光源改变方向的情况下。我们不希望必须不断移动我们的探测器或太阳能电池，或移动系统以面对光源。这是一个完全被动的系统--它不需要能量来追踪光源，也没有任何移动的部件。没有移动位置的光学焦点或对跟踪系统的需求，聚光变得更加简单。"

△工作中的Nina Vaidya

在他们的开发的设备原型中，研究人员能够捕捉到超过 90% 的撞击表面的光，并在输出端产生比入射光亮三倍的光点。安装在太阳能电池顶部的一层中，它们可以提高太阳能电池板的效率，不仅可以捕捉直射阳光，还可以捕捉被地球大气、天气和季节散射的漫射光。AGILE 的顶层可以取代现有的保护太阳能电池阵列的封装，消除跟踪太阳的需要，为冷却和电路创造空间以在各个设备的狭窄金字塔之间运行，最重要的是，减少太阳能量产生能量所需的电池面积，从而降低成本。并且用途不限于地面太阳能装置：如果应用于被送入太空的太阳能阵列，AGILE 层既可以在没有太阳跟踪的情况下集中光线，又可以提供必要的辐射保护。

关于用于创建这种新型面板的确切3D打印技术，人们所知不多。然而，制造面板的方式是将不同的玻璃和聚合物分层在一起，使光线发生不同程度的弯曲，最终将光线准确地聚焦在一个地方。经过漫长的试错阶段以及许多不同原型的生产，Nina Vaidya现在确信她的设计将很快成功用于太阳能行业和其他领域。她总结说："能够使用这些新材料、这些新的制造技术和这个新的AGILE概念来创造更好的太阳能聚光器，是非常有益的。丰富的、可负担得起的清洁能源是应对紧迫的气候和可持续发展挑战的重要组成部分，我们需要催化工程解决方案，使之成为现实"。

感兴趣的熊友可以在斯坦福大学的网站上了解更多信息（https://news.stanford.edu/2022/06/27/new-optical-device-help-solar-arrays-focus-light-even-clouds/）。