《科学家研制新型地热能电池 无需高温也能有效发电》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-07-26
  • 说到清洁可再生能源,人们第一时间想到的多是太阳能、风能和潮汐能之类。相比之下,地热能是一个比较冷门的存在。即便如此,还是有许多研究团队在深入这方面的研究,比如本文要为大家介绍的新型地热能电池。从字面意义可知,地球本身就是一个“温暖”的球体。在澳大利亚、美国等诸多地区,都潜藏着丰富的地热能源。

    东京工业大学和 Sanoh Industrial 的研究人员,刚刚开发出了一种新型电池,特点是能够直接将热能转化为电能。

    据悉,大多数地热系统使用着地表下方几公里处的热岩加热水。通常自然泵送到地面(或者人工抽送),并在利用后泵回。

    遗憾的是,旧式系统需要超过 180℃(365℉)的高温才能运作,且难以实现扩展。相比之下,日本研究团队使用了更加直接的方法。

    他们设计了基于热敏电池(STC)的新方案,能够在低于 100℃ 的温度下发电,且无需水或水蒸气这样的中间载体。

    STC 是由夹在两个电极之间的三层材料所构成的电池,包含了一个电子传输层(ETM)、一个半导体锗层、以及一个传输铜离子的固体电解质层。

    将这种特殊设计的电池埋入热地环境后,热量可激发半导体中的电子,使之转移到 ETM 。然后通过电极的外部电路传递,最终经由另一电极进入电解质 —— 在那里发生氧化还原反应、将低能电子带回半导体、并开启新的循环。

    最初团队不确定 STC 设备能够将这种循环维持多长时间,是否能够持续地运行下去。但在测试过程中,他们找到了答案。

    氧化还原反应的最后,会导致循环的干涸,因为不同类型的铜离子,终将在不同的地方停工。有趣的是,团队惊讶地发现 —— 只需将 STC 装置埋在热源中,即可解决这一问题。然后便是打开外部电路一段时间后,才能给它充电。

    团队表示,此举有望实现 STC 装置的“半永久性”供电。首席研究员 Sachiko Matsushita 称:

    借助这样的设计,原先低利用率的地热能,也可成为一种很有希望的可再生能源。你无需担心辐射,不耗费昂贵的石油,也无需依赖不稳定的太阳能或风能。

    之后,研究团队将对其进一步改进,以尽快地投入实际使用。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《材料化学A》期刊上。原标题为:

    《A sensitized thermal cell recovered using heat》

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    • 编译者:guokm
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-07-17
    • 有没有一扇窗户既能透光又能发电?半透明有机太阳能电池就可以满足这样的需求。其光学性质易调,且轻柔又容易加工和安装,可用作建筑或汽车外表面的光伏玻璃,具有重要的商业化潜力。 日前,华南理工大学材料科学与工程学院教授叶轩立、中国科学院院士曹镛以及德国埃尔朗根-纽伦堡大学教授Christoph J. Brabec等人的联合团队,开发了一种快速薄膜光学计算模型,并据此模拟了涵盖几乎所有可能的数千万个薄膜结构模型,从而确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系,制备出兼具11%的光电转化率和30%的透明度的有机太阳能电池。相关成果近日发表在Cell旗下的能源期刊Joule上。 发电vs透光 “半透明有机太阳能电池主要的设计思路是在透过适量的可见光以满足视觉需求的同时,尽量吸收人类无法感知的紫外和近红外光,并转化为电能。”论文第一作者、华南理工大学材料科学与工程学院博士研究生夏若曦告诉《中国科学报》。 夏若曦介绍,有机光伏材料可以通过分子结构,设计成可见光吸收较弱且有相对宽而强的近红外吸收。为了进一步优化器件的光学性质,传统的周期性一维光子晶体拥有选择性反射指定波长光的特性,引入半透明有机太阳能电池后,可以选择性反射人眼不敏感部分波长光至光敏层进行二次吸收,从而在较小影响透明度的情况下提高器件的光子捕获率,以提高短路电流密度和光电转化率。 研究团队在对一维光子晶体增益的半透明有机太阳能电池进行光学设计时,不同于传统的周期性一维光子晶体设计思路,将其各层厚度视为自由变量并将活性层与银电极的厚度一并纳入优化,以考虑其间可能存在的耦合关系。通过遍历几乎所有可能的厚度组合(数千万个组合),光电转化率和透明度之间的最优平衡关系在光学层面上得以确定。 高通量模拟指导法 夏若曦告诉记者,他们的工作首先基于传输矩阵方法,开发了一个具有较快运行速度的薄膜光学计算模型。 传输矩阵方法是一套基于波动光学的数学方法,可依此法求解半透明有机太阳能电池的相关光学性能参数,建立光电转化率和透明度与膜系厚度之间的函数关系。 研究团队通过算法、代码等优化提升了模型计算速度,从而得以通过遍历式计算将光学设计视为一个更严谨而纯粹的数学优化问题。 运用该模型,他们对数千万种可能的器件结构进行了模拟计算,详细研究了半透明有机太阳能电池光电转化率和透光率与膜系厚度之间的函数关系,从而在光学层面上严格确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系。 事实证明,运用这种方法设计制造出的非周期性一维光子晶体获得了预期的性能参数和光学特征,可以同时选择性增强可见光透射和紫外、近红外反射,证明了该方法的高效和科学性。 夏若曦认为,高通量模拟指导法具有良好的普适性,尤其适用于多目标、多厚度的协同优化,可以广泛用于有机光伏材料体系,甚至可以应用于诸如钙钛矿太阳能电池等光伏器件或光探测器的光学设计,有巨大的应用潜能。 新一代光伏技术 目前商业化的光伏技术主要是基于无机材料。夏若曦告诉《中国科学报》,以硅基为代表的无机光伏技术已经高度成熟,凭借其高效、廉价等诸多优势几乎垄断整个光伏市场。 “因大规模储能困难造成的太阳能并网瓶颈,需要我们加快发展分布式、家庭式、微电网式光伏的应用,主要应用场景包括建筑屋顶和外墙,这为半透明光伏技术带来广阔市场。”夏若曦说。 然而,晶体硅电池难以做成半透明,只能靠不透明电池之间的缝隙透光来实现所谓的“半透明”效果,不甚美观;非晶硅电池可以做成半透明,但是也存在着低效率、低透明度、颜色单一等严重制约其在建筑玻璃上应用的缺点。 相比之下,夏若曦说道,有机光伏材料不仅具有高度可调的光学性质,而且易制成半透明的有机薄膜,因而在半透明光伏领域具有更大的应用潜力。此外,有机光伏还拥有质地轻柔、可室温溶液加工等独特的优势。 以此制作出的器件能够兼具11%的光电转化率和30%的透明度,正是得益于有机材料本身特有的光学优势和科学严谨的光学设计。相较而言,商用的半透明光伏在透明度不足30%的情况下,效率只有11%的一半甚至更低。 夏若曦说,有机光伏是正处于迅速发展中的研究热点,而且近年来涌现出诸多由中国科学家引领的重要的技术突破,如能进一步提升效率,改进大面积模组器件的制备工艺,并提升寿命和稳定性,有机光伏将很有可能在十年内于中国首先实现商业化。