柔性聚酰亚胺衬底上的过渡金属二硫化物太阳能电池。功劳:库沙·纳西里·纳齐夫在太阳能工程领域正在进行一场竞赛，以制造几乎不可能薄的柔性太阳能电池板。工程师们想象它们用于移动应用，从自供电的可穿戴设备和传感器到轻型飞机和电动汽车。在这种背景下，斯坦福大学的研究人员在一组有前途的光伏材料中取得了创纪录的效率。这些过渡金属二氯化物(或称TMD)的主要好处是，与其他太阳能材料相比，它们能吸收超高水平的阳光。
斯坦福大学电气工程博士学者、发表在12月9日《自然通讯》杂志上的一项研究的合著者库沙·纳西里·纳齐夫说:“想象一下，一架自主无人机在机翼上安装了一个比一张纸薄15倍的太阳能电池阵列，为自己提供动力。“这是战区导弹防御系统的承诺。”
寻找新材料是必要的，因为太阳能材料的王者——硅——对于灵活性、重量轻和高功率占优势的应用来说太重、太大、太硬，比如可穿戴设备和传感器，或者航空航天和电动汽车。
“如今，硅占太阳能市场的95%，但它远非完美。我们需要轻质、可弯曲、坦率地说更环保的新材料，”电气工程教授、该论文的资深作者克里希纳·萨拉斯瓦特说。
竞争性的选择
尽管TMD大有希望，但迄今为止的研究实验一直在努力将它们吸收的超过2%的阳光转化为电能。对于硅太阳能电池板，这个数字接近30%。要广泛使用，战区导弹防御系统必须缩小这一差距。
新的斯坦福原型实现了5.1%的功率转换效率，但作者预测，通过光学和电学优化，它们实际上可以达到27%的效率。这个数字将与目前市场上最好的太阳能电池板相当，包括硅。
此外，该原型实现了比任何已开发的战区导弹防御系统大100倍的功率重量比。这一比例对于移动应用非常重要，比如无人机、电动汽车以及在移动中为远征装备充电的能力。当观察比功率(衡量太阳能电池每单位重量输出的电能)时，原型每克产生4.4瓦，这一数字与当今其他薄膜太阳能电池(包括其他实验原型)相当。
“我们认为我们可以通过优化将这一关键比例再提高10倍，”萨拉斯瓦特说，并补充说，他们估计他们的TMD电池的实际极限是每克46瓦。
其他优势
然而，它们最大的好处是非常薄，不仅最大限度地减少了材料的使用和成本，而且使TMD太阳能电池重量轻、灵活，能够模制成不规则的形状——汽车车顶、飞机机翼或人体。斯坦福团队能够制造出只有几百纳米厚的有源阵列。该阵列包括光伏TMD钨二硒化物和由一层导电石墨烯覆盖的金触点，石墨烯只有一个原子厚。所有这些都夹在一种柔软的、类似皮肤的聚合物和一种能提高光吸收的抗反射涂层之间。
完全组装后，TMD电池的厚度不到6微米——大约相当于一个轻便的办公室垃圾袋。要达到一张纸的厚度需要15层。
虽然薄、轻和柔性本身都是非常理想的目标，但TMDs也有其他工程优势。它们长期稳定可靠。与薄膜乌鸦n的其他挑战者不同，TMDs不含有毒化学物质。它们还具有生物相容性，因此可以用于需要直接接触人体皮肤或组织的可穿戴应用。
充满希望的未来
TMD的许多优点被某些缺点抵消了，主要是在大规模生产的复杂工程中。将超薄TMD层转移到柔性支撑材料的过程通常会损坏TMD层。
阿尔温·道斯和纳西里·纳齐夫是这项研究的共同主要作者，他设计了将薄的TMD太阳能电池阵列固定在柔性基板上的转移过程。他说这项技术挑战是相当大的。道斯解释说，一个步骤是将原子级薄石墨烯层转移到只有几微米厚的柔性基底上，当研究进行时，他是埃里克·波普在斯坦福的研究小组的博士后学者。他现在是德国亚琛工业大学的高级研究员。
这种复杂的工艺导致TMD完全嵌入柔性基板中，从而导致更高的耐用性。研究人员测试了他们的设备的可弯曲性和坚固性，他们将设备绕着不到三分之一英寸厚的金属圆筒弯曲。
纳西里·纳齐夫总结道:“功能强大、灵活耐用的TMDs是太阳能技术中一个很有前途的新方向。
这项工作的其他斯坦福合著者包括斯坦福大学电气工程学院的埃里克·波普和阿达·潘；材料科学与工程中的马克·布朗格斯玛；访问学者萨姆·瓦齐里；博士后学者Raisul Islam以及研究生Jiho Hong、Nayeun Lee、Aravindh Kumar、Frederick Nitta、Michelle E. Chen和Siavash Kananian。
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