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在常規(guī)化石能源日益減少的當(dāng)下，綠色、取之不盡、用之不竭的可再生能源得到了廣泛應(yīng)用。其中，因輻射到地球表面的能量巨大，太陽能發(fā)電已成為最具潛力的發(fā)電技術(shù)之一。近年來，太陽能電池技術(shù)得到了快速發(fā)展，但在充分利用每天可用的太陽光方面，平板太陽能電池仍有諸多不盡人意之處。

沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)微系統(tǒng)工程的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的球形太陽能電池，旨在從每一個(gè)角度提高太陽能收集潛力，而不需要昂貴的移動(dòng)部件來追蹤太陽在天空中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

這種球形太陽能電池原型是一個(gè)微小的藍(lán)色球體，它可以像乒乓球一樣輕松地被一只手握住。利用太陽能模擬燈進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，與具有相同總表面積的平板太陽能電池相比，它可以實(shí)現(xiàn)超出15%～100%的功率輸出，具體則取決于將陽光反射到太陽能電池中的背景材料。

圖片來源：Nazek El-Atab/KAUST

據(jù)了解，該研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)靈感主要來自于自然界。家蠅眼睛的位置和形狀增加了角度視野，所以它們的水平視野可達(dá)到270度左右。同樣，球形結(jié)構(gòu)增加了太陽能電池的“角度視野”，這意味著它可以從更多的方向收集太陽光。該研究團(tuán)隊(duì)使用占世界太陽能發(fā)電量近90％的單晶硅太陽能電池制造了球形太陽能電池，其目的在于幫助單晶硅太陽能電池實(shí)現(xiàn)最大化的光收集潛力，從而進(jìn)一步降低成本效益，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

通常，太陽能電池設(shè)計(jì)是在平坦的表面上制造微小的球形電池（有時(shí)由納米線或量子點(diǎn)電池制成），以幫助更好地收集直射和散射的陽光。該研究團(tuán)隊(duì)采用波紋技術(shù)，在剛性硅太陽能電池上實(shí)現(xiàn)了超柔韌性，這意味著可以讓工業(yè)IBC型（叉指式背接觸）硅太陽能電池覆蓋任何形狀，并在任何地方“太陽能化”。因此，相對(duì)于微球陣列，更大的球形太陽能電池在收集從背景表面反射的陽光時(shí)，可以提供更高的效率和覆蓋率。

圖片來源：Nazek El-Atab/KAUST

用太陽能模擬器燈進(jìn)行的測(cè)試表明，球形太陽能電池在直接暴露于陽光下時(shí)，其功率輸出比傳統(tǒng)的平面太陽能電池高出24％；在兩種類型的太陽能電池都開始變熱并且功率效率受到一定損失后，球形太陽能的功率輸出躍升至39％，這表明其在散熱方面可能具有一定優(yōu)勢(shì)；當(dāng)球形太陽能電池只能在模擬屋頂下收集散射的陽光而不是直接接受陽光照射時(shí)，其功率輸出比平面太陽能電池高出60％。在不同的反射背景下進(jìn)行的其他實(shí)驗(yàn)（包括鋁杯，鋁紙，白皮書和沙子）表明，六角形鋁杯背景材料可使球形太陽能電池功率輸出比平面太陽能電池高達(dá)100％。

現(xiàn)階段，球形太陽能電池仍不能替代大規(guī)模太陽能發(fā)電廠的傳統(tǒng)太陽能電池，但這種特殊的球形太陽能電池設(shè)計(jì)可以在更多的細(xì)分市場(chǎng)應(yīng)用中找到用途。研究人員指出，目前球形設(shè)計(jì)的應(yīng)用似乎非常有限，但是將商業(yè)化的太陽能電池制成任何形狀的能力，并用成型的光伏面板為一些自主設(shè)備提供完全的動(dòng)力，將推進(jìn)光伏技術(shù)廣泛應(yīng)用于諸如物聯(lián)網(wǎng)（IOT）傳感器和自動(dòng)駕駛汽車等設(shè)備中。例如，研究人員正在尋找一種覆蓋高爾夫球的太陽能電池設(shè)計(jì)，以便它可以為高爾夫球內(nèi)的跟蹤器提供動(dòng)力。因此，他們認(rèn)為將這種超柔性太陽能電池設(shè)計(jì)安裝在建筑物、汽車甚至移動(dòng)設(shè)備中的前景十分廣闊。

基于必須手動(dòng)折疊并形成球形太陽能電池，沙特阿拉伯的研究人員已經(jīng)開始設(shè)計(jì)和開發(fā)使用“機(jī)器人手”模仿手動(dòng)折疊來自動(dòng)化該過程。此外，他們?cè)O(shè)想建立和測(cè)試大型的球形太陽能電池陣列，如為100平方英尺至1000平方英尺的區(qū)域創(chuàng)建球形單元陣列，并將功能性和成本優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)單元進(jìn)行比較；他們已經(jīng)在研究類似于帳篷或雨傘的新形狀，以查看它們是否具有優(yōu)勢(shì)；他們還將太陽能電池與具有異常形狀的無人機(jī)表面整合在一起。

圖片來源：Nazek El-Atab/KAUST

據(jù)了解，制造大型球形太陽能電池，需要研究人員在15％的平面太陽能電池中蝕刻交替的凹槽，以形成類似于中間連接的橢圓形的圖案。使用二氧化碳激光在覆蓋太陽能電池的聚合物硬掩模中創(chuàng)建適當(dāng)?shù)膱D案，并使用深度反應(yīng)離子蝕刻工具在硅太陽能電池的裸露區(qū)域中形成凹槽，通過這些凹槽區(qū)域中的彎曲，研究人員才可以將它們折疊成球形。

隨著時(shí)間的推移，研究人員發(fā)現(xiàn)在世界某些地區(qū)球形太陽能電池比平面太陽能電池更受青睞，因?yàn)榍蛐卧O(shè)計(jì)不易積聚灰塵，并且可能有助于散熱。目前，球形太陽能電池仍有許多未完成的測(cè)試，研究人員希望了解球形太陽能電池在一天中不同時(shí)間在各種室外和室內(nèi)照明環(huán)境中的性能。同時(shí)，他們也希望了解制造此類球形太陽能電池所需的所有處理步驟的“量化成本”，以便更好地了解該技術(shù)的商業(yè)化潛力。

接下來，他們將球形太陽能電池部署在不同的地理位置，以了解其性能和可靠性，并計(jì)劃于2020年底前前往加利福尼亞、孟加拉國(guó)、中國(guó)、印度、韓國(guó)、德國(guó)、西班牙、巴西、哥倫比亞、墨西哥、南非、澳大利亞和新西蘭等國(guó)家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。