斯坦福大学开发新TMD材料 助力打造超薄、轻便的太阳能电池

太阳能工程领域正在展开一场竞赛，以制造非常薄而灵活的太阳能电池板，用于电动汽车等出行领域。据外媒报道，斯坦福大学的研究人员开发的一组光伏材料，取得创纪录效率。

与其他太阳能材料相比，这些过渡金属二硫化物（或TMD）的主要优势在于，能够吸收照射在其表面的超高水平的阳光。斯坦福大学电气工程博士学者Koosha Nassiri Nazif表示：“想象一下，在一架自动无人机的机翼顶部，所安装的太阳能阵列，比一张纸还要薄15倍。这就是TMD的前景所在。”

对于柔性、轻量化和高功率应用来说，比如可穿戴设备和传感器，或是航空航天设备和电动汽车，太阳能首选材料硅过于笨重、不易弯曲，因此很有必要寻找新的材料。

具有竞争力的替代方案

尽管TMD前景看好，然而迄今为止，在研究实验过程中，一直难以将其吸收的2%以上的阳光转化为电能。就硅太阳能电池板而言，这个数字接近30%。为了促进TMD的广泛使用，必须缩小这一差距。

斯坦福大学的新原型，实现了5.1%的电力转换效率。预计经过光学和电气优化后，实际上可以达到27%的效率，与目前市场上最好的太阳能电池板（包括硅）相当。

此外，该原型的的功率重量比，比以往开发的TMD高100倍。对于电动汽车和无人机等出行应用，以及在移动过程中为远征设备充电的能力，这一比率具有重要意义。考虑到比功率，即衡量太阳能电芯单位重量的电能输出，该原型产生每克4.4瓦的功率，可与当前其他薄膜太阳能电芯相媲美，包括其他实验原型。

研究人员认为，通过优化，可以将这一关键比例再提高10倍。估计TMD电芯的实际极限为每克46瓦。

其他优势

此项研究最大的优势在于超薄的厚度，不仅能充分减少材料使用和成本，而且使TMD太阳能电芯变得轻便灵活，能够模制成不规则的形状，用于汽车车顶、飞机机翼或人体。斯坦福大学的研究团队生产出只有几百纳米厚的有源阵列。该阵列中包括光伏TMD钨二硒化物和由一层仅单原子厚的导电石墨烯覆盖的金触点。这些都夹在柔韧的皮肤状聚合物和能够增强光线吸收的抗反射涂层之间。

该TMD电芯完成组装后，厚度不到6微米，大约相当于一个薄垃圾袋的厚度，需要15层才能达到一张纸的厚度。

TMD也具有其他工程优势，如长期稳定可靠，不含有毒化学物质。另外，还具有生物相容性，可用于需要直接接触人类皮肤或组织的可穿戴应用。

良好的发展前景

在具有工程复杂性的大规模生产过程中，TMD也存在一些缺点，使其性能受到影响。如将超薄TMD层转移至柔性支撑材料的过程，常常会损坏TMD层。

研究人员设计了将薄TMD太阳能阵列固定在柔性基板上的转移过程，据称这一技术挑战相当大。其中一个步骤是将原子厚石墨烯层转移到只有几微米厚的柔性衬底上。通过这一复杂的过程，使TMD完全嵌入到柔性基板中，从而提高耐用性。研究人员围绕不到三分之一英寸厚的金属圆柱体来弯曲材料，以测试设备的灵活性和坚固性。

研究人员表示，TMD功能强大、灵活耐用。在太阳能技术领域，是富有前景的新发展方向。