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硅藻—太陽能電池技術突破的新途徑

作者:管理員 發表時間:2019-07-29 08:57:26 閱讀: 1412

硅藻,一種繁衍十分迅速的硅藻類植物,它們的無定型二氧化硅殼體以及獨特的立體結構,可以使光在細胞內進行充分的光合作用。在人類發明硅基太陽能電池之前,自然界中的硅藻早已開始利用二氧化硅來收集太陽能。近年來,眾多國內外研究人員就希望利用硅藻的光學特性來推動太陽能技術取得突破。

硅藻特殊結構發揮重要作用

類有200個門,10萬多個種,大多數生活在海水中,能利用太陽能進行光合作用。藻類是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有機體,其能較少的反射太陽光,并通過網格毛孔捕獲太陽能

藻類高效利用陽光的最大秘密在于其外殼,其中單細胞的硅藻外殼是最佳模型。硅藻外殼是由結構極為復雜精密的二氧化硅組成10~50nm 的六邊形微孔排列形成絲網狀結構,復雜的結構能使射進的光線無法逃逸,這種紋飾繁密的藻殼不僅增強了硅藻的硬度和強度,使其具有能懸浮起來的機械性,而且提高了其運輸營養物質和吸附、附著的生理功能,且阻止了有害物質進入,增強了光吸收率。
研究人員在很多具有分級多孔結構的生物材料中發現了天然的光子晶體效應,硅藻的特殊結構讓它成為一種良好的光子晶體,能夠大大提升光捕獲效率,這種特性讓硅藻在太陽能電池中發揮了重要的作用。

硅藻天然材料降低所需成本

硅藻這種微小生物對有機太陽能電池(相較于傳統太陽能技術,這種技術成本更低)的設計有著獨特的價值。因為設計這些電池的一個挑戰是,它們需要非常薄的活性層(只有100到300納米),而這限制了它們將光能轉化為電能的效率。

解決這個問題的方案便是嵌入能夠吸收與分散光的納米結構來提高吸收水平,但這對于大規模生產來說太貴了。而這恰恰就是硅藻能夠起作用的地方。經過數十億年的適應性進化,它們已經盡可能優化了吸收光的能力。而且它們是自然界中最常見的浮游植物,這就意味著它們很便宜。硅藻在世界各地的海洋和淡水中非常普遍,因而成本非常低,所以它們成為改善光伏發電的理想選擇

硅藻有效提高能量轉換效率

藻類外殼利用陽光的構筑是未來太陽能電池原材料和模型構筑的最佳供體。有機光伏太陽能電池具有由有機聚合物制成的活性層,這意味著它們比常規太陽能電池便宜,但它們的轉換效率不太高,主要因為其有源層非常薄,通常需要小于300納米,因此這限制了轉換效率。

而利用硅藻的光學特性,將硅藻加入到染料敏化太陽能電池(是以低成本的納米二氧化鈦和光敏染料為主要原料,模擬自然界中植物利用太陽能進行光合作用,將太陽能轉化為電能)的二氧化鈦薄層后,能量轉換效率是原轉換效率的1.3-1.4倍(而把硅藻殼體加入到二氧化鈦中燒結形成電池陽極,增加了光捕獲和在電池中的散射性能,傳統二氧化鈦覆膜3遍的轉換效率為3.8%,加入了硅藻殼體的二氧化鈦轉換效率可以達到5.26%)。

硅藻對于人類來說就是一個未開發的寶藏,除了在太陽能光伏材料上能有效的突破目前的能量轉換效率,而且在其他領域還有著相同重要的應用。例如硅藻細胞代謝產生的多糖、蛋白質、色素、油脂等,使其在食品、醫藥、基因工程、液體燃料等多個領域都有極大的開發前景。

通過硅藻殼生產的微納米二氧化硅是自然界獨一無二、純度極高的生物無機材料,也是最佳微納生物平臺材料,當然硅藻在養殖過程中也能吸收二氧化碳釋放大量氧氣,對環境有著巨大的貢獻。

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