球形太阳能电池拥有更高的功率输出
在常规化石能源日益减少的当下，绿色、取之不尽、用之不竭的可再生能源得到了广泛应用。其中，因辐射到地球表面的能量巨大，太阳能发电已成为最具潜力的发电技术之一。近年来，太阳能电池技术得到了快速发展，但在充分利用每天可用的太阳光方面，平板太阳能电池仍有诸多不尽人意之处。
沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)微系统工程的研究人员设计了一种新的球形太阳能电池，旨在从每一个角度提高太阳能收集潜力，而不需要昂贵的移动部件来追踪太阳在天空中的运动轨迹。
这种球形太阳能电池原型是一个微小的蓝色球体，它可以像乒乓球一样轻松地被一只手握住。利用太阳能模拟灯进行的室内实验已经表明，与具有相同总表面积的平板太阳能电池相比，它可以实现超出15%～100%的功率输出，具体则取决于将阳光反射到太阳能电池中的背景材料。
图片来源：Nazek El-Atab/KAUST
据了解，该研究团队的设计灵感主要来自于自然界。家蝇眼睛的位置和形状增加了角度视野，所以它们的水平视野可达到270度左右。同样，球形结构增加了太阳能电池的“角度视野”，这意味着它可以从更多的方向收集太阳光。该研究团队使用占世界太阳能发电量近90％的单晶硅太阳能电池制造了球形太阳能电池，其目的在于帮助单晶硅太阳能电池实现最大化的光收集潜力，从而进一步降低成本效益，扩大生产规模。
通常，太阳能电池设计是在平坦的表面上制造微小的球形电池（有时由纳米线或量子点电池制成），以帮助更好地收集直射和散射的阳光。该研究团队采用波纹技术，在刚性硅太阳能电池上实现了超柔韧性，这意味着可以让工业IBC型（叉指式背接触）硅太阳能电池覆盖任何形状，并在任何地方“太阳能化”。因此，相对于微球阵列，更大的球形太阳能电池在收集从背景表面反射的阳光时，可以提供更高的效率和覆盖率。
图片来源：Nazek El-Atab/KAUST
用太阳能模拟器灯进行的测试表明，球形太阳能电池在直接暴露于阳光下时，其功率输出比传统的平面太阳能电池高出24％；在两种类型的太阳能电池都开始变热并且功率效率受到一定损失后，球形太阳能的功率输出跃升至39％，这表明其在散热方面可能具有一定优势；当球形太阳能电池只能在模拟屋顶下收集散射的阳光而不是直接接受阳光照射时，其功率输出比平面太阳能电池高出60％。在不同的反射背景下进行的其他实验（包括铝杯，铝纸，白皮书和沙子）表明，六角形铝杯背景材料可使球形太阳能电池功率输出比平面太阳能电池高达100％。
现阶段，球形太阳能电池仍不能替代大规模太阳能发电厂的传统太阳能电池，但这种特殊的球形太阳能电池设计可以在更多的细分市场应用中找到用途。研究人员指出，目前球形设计的应用似乎非常有限，但是将商业化的太阳能电池制成任何形状的能力，并用成型的光伏面板为一些自主设备提供完全的动力，将推进光伏技术广泛应用于诸如物联网（IOT）传感器和自动驾驶汽车等设备中。例如，研究人员正在寻找一种覆盖高尔夫球的太阳能电池设计，以便它可以为高尔夫球内的跟踪器提供动力。因此，他们认为将这种超柔性太阳能电池设计安装在建筑物、汽车甚至移动设备中的前景十分广阔。
基于必须手动折叠并形成球形太阳能电池，沙特阿拉伯的研究人员已经开始设计和开发使用“机器人手”模仿手动折叠来自动化该过程。此外，他们设想建立和测试大型的球形太阳能电池阵列，如为100平方英尺至1000平方英尺的区域创建球形单元阵列，并将功能性和成本优势与传统单元进行比较；他们已经在研究类似于帐篷或雨伞的新形状，以查看它们是否具有优势；他们还将太阳能电池与具有异常形状的无人机表面整合在一起。
图片来源：Nazek El-Atab/KAUST
据了解，制造大型球形太阳能电池，需要研究人员在15％的平面太阳能电池中蚀刻交替的凹槽，以形成类似于中间连接的椭圆形的图案。使用二氧化碳激光在覆盖太阳能电池的聚合物硬掩模中创建适当的图案，并使用深度反应离子蚀刻工具在硅太阳能电池的裸露区域中形成凹槽，通过这些凹槽区域中的弯曲，研究人员才可以将它们折叠成球形。
随着时间的推移，研究人员发现在世界某些地区球形太阳能电池比平面太阳能电池更受青睐，因为球形设计不易积聚灰尘，并且可能有助于散热。目前，球形太阳能电池仍有许多未完成的测试，研究人员希望了解球形太阳能电池在一天中不同时间在各种室外和室内照明环境中的性能。同时，他们也希望了解制造此类球形太阳能电池所需的所有处理步骤的“量化成本”，以便更好地了解该技术的商业化潜力。
接下来，他们将球形太阳能电池部署在不同的地理位置，以了解其性能和可靠性，并计划于2020年底前前往加利福尼亚、孟加拉国、中国、印度、韩国、德国、西班牙、巴西、哥伦比亚、墨西哥、南非、澳大利亚和新西兰等国家进行现场试验。