仿生太阳能设备提高稳定性和效率

宾夕法尼亚州立大学的科学家利用细胞膜(所有生物体细胞周围的保护屏障)开发了一种新的、具有成本效益的方法来制造仿生太阳能设备，可以提高下一代太阳能技术的性能。

研究人员将钙钛矿太阳能电池材料(因其独特的晶体结构而得名，擅长吸收可见光)与天然脂质生物分子的合成版本相结合，以帮助防止水分引起的降解。这些生物分子是我们身体产生的脂肪或蜡状物质，不溶于水，如胆固醇，是细胞膜的主要成分。

生物分子在钙钛矿周围形成膜状层，提高了测试的稳定性和效率。科学家们在《先进能源材料》杂志上报告说，这种方法可能会对钙钛矿太阳能电池的设计方式产生变革性影响。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系博士生侯雨辰(YuchenHou)表示：“脂质分子天然具有很好的防潮能力，并且不溶于水。”“我们采用了一种在自然界中进化了数百万年的具有特定功能的分子，我们看看这种材料是否可以在我们的人造设备中具有相同的功能。”

侯说，钙钛矿是一种很有前途的太阳能电池技术，因为它们超过了传统硅的效率。但科学家们表示，这种材料在暴露于湿气(例如空气中的湿度)时会迅速降解，而之前创建保护层的尝试意味着牺牲效率并增加成本。

通过新方法，生物分子在钙钛矿周围形成纳米薄层，保护其免受元素影响并延长其使用寿命。据侯介绍，这种方法比传统的硅太阳能电池制造方法更便宜、更容易，而且仍然能产生具有良好电性能的材料，使他们能够在不牺牲效率或电池可以将多少阳光转化为电能的情况下制造大型设备。

“在这项工作中，我们试图解决钙钛矿太阳能电池领域的两个主要问题——效率和稳定性，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系博士后、该研究的合著者郑路耀说。。“我认为这里的主要成就是我们能够制造出一个非常大的模块，在大面积上具有非常好的均匀性，而且我们还能够保持非常好的效率和稳定性。”

制造钙钛矿的典型过程涉及湿化学——前体或成分在溶剂溶液中液化，然后固化成薄膜。然后将该材料与其他层堆叠以形成太阳能电池。

将脂肪生物材料添加到液体钙钛矿前体中，形成一种乳液——材料像油和水一样分离，但仍然均匀地分散在彼此之间。这种动态使得生物材料在钙钛矿外部形成薄层，形成双层结构。

材料科学系助理研究教授王凯说：“通过一步法直接沉积这种微乳液墨水，我们观察到了一种自组装过程，其中顶层由生物分子膜包裹的纳米颗粒组成。”和工程以及该研究的合著者。“我们预计这种新的双层概念将为将仿生分子纳入改进太阳能电池技术开辟道路。”

利用建模技术，科学家们发现该界面还改善了材料的电子特性，并减少了限制钙钛矿效率的表面缺陷。

研究人员制造了10平方英寸的太阳能电池，并从10月到2月在宾夕法尼亚州对其进行了现场测试。这些设备在自然天气条件下(包括雪和湿度)连续使用超过116天，始终表现出超过19%的效率。这与商业硅太阳能电池的效率相当，后者通常在15%到20%之间，但研究人员表示，他们的制造方法比商业工艺更简单、更便宜。

“通常，当你增加模块面积时，太阳能电池的效率会很快下降——你会看到一个非常急剧的下降，”郑说。“但在这项工作中，当我们升级模块时，我们没有看到太多的下降。我认为这是我们工作的一个亮点。”

科学家们表示，该过程可能是商业化的良好候选者。添加生物材料不会显着增加制造成本——只需要少量的材料，而且价格便宜。此外，生物材料相对环保。

“当我们谈论添加剂时，他们经常添加非常小的纳米金属材料，这些材料担心有毒或难以从自然界中去除，”侯说。“但这种材料是完全天然的分子，不会破坏环境，而且很容易在自然界中分解。”

研究人员表示，额外的工作将涉及制造更大的太阳能设备，并对可能具有类似有益特性的其他生物分子进行系统研究。

“我们还有很多东西需要向大自然学习，”侯说。“天然材料和自然结构仍然可以在创造人造材料设备时给我们很多灵感。我认为这项工作是我们如何向大自然学习以支持我们的人造设备的一个例子。”

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