小纤维汇聚大能量 复旦研发新型材料 制太阳能电池可随时随地“发电”

不知你是否想过,有一天穿在身上的衣服、戴在头上的帽子、拎在手里的包都能够“自我发电”,给你“奄奄一息”的手机充电呢?你是否能够想象,现在占地面积庞大的发电站,未来只需要一个桌子大小的机器就能发电?复旦大学先进材料实验室、高分子科学系彭慧胜教授课题组最近成功研制出一种新型能源器件——取向碳纳米管纤维,使研发完全纤维状的“能源系统迈出了关键的一步”。基于这一技术制造的新型太阳能纤维电池,使人类随时随地、高效使用太阳能的梦想有望成为现实。

取向碳纳米管材料示意图

取向碳纳米管材料示意图

由取向碳纳米管材料制成的可同时实现光伏转换和储能的太阳能电池

由取向碳纳米管材料制成的可同时实现光伏转换和储能的太阳能电池

 

白天也懂夜的黑

彭慧胜教授的团队新研制出的这种新型、柔性的纤维状能源集成器件,可以制成一根根像头发丝一样细的纤维状太阳能电池,其直径只有60-100微米(1毫米=1000微米)。纤维状,意味着可以把它们像普通化学纤维一样编织成衣服、裤子等纺织品,这样这些衣裤,整体就成了一块大太阳能电池,并实现自身“发电”。

近年来,人们对能源问题的关注持续升温,专家学者们将其列为未来人类生存的最大挑战。除去对煤炭、石油等传统有限能源的使用,将来的能源使用结构将发生极大的变化——太阳能、风能、地热能等新能源的使用将成为主流。除太阳能外,其他新能源对于自然条件的依赖性都很高,而现今人们对于具有明显优势太阳能的利用率连1%都达不到,这其中的开发空间可想而知。太阳能电池是其中具有广泛应用价值的领域,传统板状太阳能电池在应用场所和可移动范围都有一定的局限性,在面积和朝向上对阳光入射角度也有很大的限制性。

但这些问题在彭教授的太阳能电池中都不存在。神奇的是,与现有的太阳能电池不同,彭教授的研制的这种新型太阳能纤维电池,还实现了在将太阳光转换成电能的同时,把这些能量储存起来,而不需要外接其他蓄电池或储能设备。这样即使在没有日光、又对光电需求量更大的夜间,人们也可以随心所欲地使用太阳光能源。

据悉,在一根纤维上实现既发电又储能是彭慧胜教授课题组最为重要的原创性突破之一,相关研究成果已被最新一期的国际化学原创性研究领域权威期刊《应用化学》(Angewandte Chemie International Edition,影响因子 13.5)作为封面文章发表。而负责期刊审稿的专家们一致认为,彭慧胜课题组用一个“非常简单和低成本的方法”,在世界范围内“首次在一根纤维上同时实现光电转换和储能”,这大大提高了太阳能的利用效率,“对于全纤维状能源系统迈出了关键一步”。

据悉,取向碳纳米纤维能源器件的研发成功,对于发展下一代光伏器件指出了一个富有前景的新方向,为线状能源器件的大规模应用奠定了良好的基础。

更轻、更强、更广

传统太阳能电池多由单晶硅制成,不仅成本较高,而且其生产过程中是一个高能耗、高污染的产业,对环境有很大影响。而复旦团队所使用的碳纳米管纤维材料则可能很好地解决未来太阳能电池的这些问题。

碳纳米管纤维 直径与头发丝相当 长度可达数百米

碳纳米管纤维 直径与头发丝相当 长度可达数百米

碳纳米管纤维,直径与头发丝相当,长度可达数百米,最大的特点是很轻、很强。它的比强度和比刚度要比目前大规模使用的工程纤维材料——如尼龙钢丝、杜邦公司的科夫拉纤维材料(kevlar)——强数倍之多。碳纳米管纤维已经在防弹衣、航空航天、医疗和体育器械等广泛领域显示重要应用前景。

而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,制作工艺相对来说也较简单,具有大量稳定生产的可能性。一般来说,制造纤维状的太阳能电池只要经过“纺丝”——让碳纳米管材料生长出来,如棉花纺丝一般地连续制备,“镀膜”——将碳纳米管纤维经过特殊的溶液,从而在纤维外部镀一层光合性材料这两个主要工序。

据悉,使用碳纳米材料制造纤维状的新型能源器件,突破制造理念与技术的难题是彭慧胜教授课题组近年来一直重点研究领域的应用性成果。而他们所从事的碳纳米管及聚合物复合材料在能源领域的应用研究是目前国际材料学界的一个前沿热点。

而除了将取向碳纳米管纤维成功应用于制造太阳能电池外,不久前,彭教授课题组还成功地以这一纤维材料作为电极,研制了出新型线状微型的超级电容器和锂离子电池,其成果也被国际材料领域权威期刊《先进材料》(Advanced Materials,影响因子13.9)以封面文章的形式发表。

取向碳纳米管纤维被国际权威期刊《先进材料》以封面文章形式发表

取向碳纳米管纤维被国际权威期刊《先进材料》以封面文章形式发表

取向碳纳米管纤维被国际权威期刊《先进材料》以封面文章形式发表

取向碳纳米管纤维被国际权威期刊《先进材料》以封面文章形式发表

新方向、新路子

据彭慧胜教授介绍,他们的研究之所以能取得成功,主要得益于,他们重点通过对碳纳米管取向,优化结构从而大幅度地提高了能源材料的相关性能。而此前,无论是学术界还是产业界,主要尝试的方向是使用无规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。但是,无规碳纳米管因为存在大量的接触点,不利于电荷的快速分离和传输,因此对相关电池性能提高的程度非常有限。

彭教授课题组使用碳纳米管纤维材料制造了一系列高效率的线状染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池,并且具有良好的柔性和可编织性,最高光电转化效率超过9%;也成功利用同一纤维材料构建了微型线状超级电容器。而最新研发的集光电转换与储能于一体的纤维状太阳能电池和线形锂离子电池,则又进一步大大提升了相关性能指标,为线状能源器件的大规模应用奠定了良好的基础。

彭教授表示,他们完成的是在实验室的源头性研究工作,算是走通了新门路,可能开辟了新方向,但这些新概念、新技术的应用性研究和工艺制备技术发展还需广大研究人员一起努力。也许我们可以设想,未来某一天,新型纤维制造的超级太阳能发电机和超级电池,将成为老百姓生活不可或缺的伴侣,为人类社会提供源源不断的清洁电力。

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