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MEMS技术将人体变成一个“会走路的”太阳能电池充电器

时间:2012-12-08 18:04:41来源:物联网在线 作者:IOTer 点击:
太阳能聚光器拥有低成本、预制、光学微透镜阵列等优点,可以直接安装在每一个芯片模块上,以促进更多的光子通过光伏效应转换成电子。微型电池则能以更低的成本和更高的效能达到这一目的。

目前,桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的科学家开发出一种微型光伏电池,为传统太阳能的收集和使用方式进行技术升级。微型光伏电池是采用微电子和微机电系统(MEMS)技术制成。将这种微型的光伏电池安装在人体上,人体就变成一个“会走路的”太阳能电池充电器。

晶体硅电池在许多新兴领域拥有巨大潜力。预计将来无论在制造成本还是能源效率上都远远优于现在使用的普通光伏电池,普通光伏电池是由6英寸见方的太阳能电池晶片叠加而成。

桑迪亚国家实验室首席调查员格雷格尼尔森说:“这种微型光伏电池的优势十分显著,包括应用领域更广、性能更高、成本更低、并且能源效率更加优化。将来非常有可能投入规模化生产,并且可以安装在各种形状的物体内部,例如,帐篷、甚至衣物。这样,猎人,远足者或军事人员可以随时在野外为他们的电子设备充电。”

更妙的是,在这种微型光伏电池基板上蚀刻电路,还将极大方便工人在现场施工和设计。桑迪亚国家实验室现场工程师古普塔说:“安装在房屋和仓库的屋顶的微型光伏电池模块还可以实现智能控制,逆变,甚至是存储功能。这种集成模块可以大大简化太阳能援助小组成员的现场工作,包括繁琐的设计,认证许可,以及电网一体化程序。”

“而对于大型发电站来说,相比目前的光伏技术,这种微型光伏电池最大的好处是大大降低了制造和安装成本,” 桑迪亚国家实验室研究员穆拉特奥坎丹说。

六边形超薄晶体硅光伏电池(厚14-20微米,长0.25-1毫米)

成本较低的原因之一是这种微型体积需要较少的材料,用以满足良好的控制和高效能的要求。微型电池的厚度从14到20微米不等(人的头发大约是70微米厚),比传统6英寸见方的光伏电池的厚度薄10倍,但却能释放同等电量。

奥坎丹说:“微型电池比普通光伏电池所使用的硅晶片少100倍,但却能释放相同的电力,由于他们比传统的电池的体积小很多,而且当用于特定环境时较少发生机械变形,所以从长远来看,可能微型光伏电池更加可靠。”

此外,由于这种微型电池的直径只有几百微米,所以,对硅晶片的尺寸要求很小,今天我们所使用的任何一种规格(12/18英寸)的硅晶片都能轻松剪裁出一块微型光伏电池。

不仅如此,当某一块微型电池出现质量瑕疵,硅晶片剩余部分还能继续利用,但如果所要剪裁的电池有砖块那么大,那么整块硅晶片都因此而浪费了。电池的体积越大所需要的电线越粗,这无形中就增加了成本,而这个问题对于微型电池就不存在了。

尼尔森说:“对于普通的光伏电池,只有暴露在阳光中的硅晶片才能发出电力,而一旦某一部分的阳光被遮住了,这一部分就会完全“停电”。在这点上,微型光伏电池对遮光体的容忍度要高于普通电池板。”

但是,从传统硅光伏电池模块(6*6英寸)向微型光伏电池的商业转变又谈何容易?单说制造一块微型光伏电池需要引进的技术就包括微机电系统,电子发光二极管(LED)技术,还有砷化镓取代硅的程序。

因此,体积上的转变相对而言还是比较容易的。制造一块微型光伏电池首先需要从硅晶片上截取一块,而后利用集成电路和微机电技术为电池制备电极触点,再经过蚀刻等程序最后将其制成六边形的光伏电池。

所采用是目前非常普遍的一种叫“排列包装机(pick-and-place machine)”的商用工具,预先在电触点上安装芯片(13万片/小时),并且安装过程需要在温度较低的地方进行。安装费用取决于光学浓度和芯片尺寸,大约每片0.1美分,每平方米范围内能安装1至5万个。而另一种新型的替代工具还处于实验室研究阶段,有望能实现自组装和降低安装成本的目标。

太阳能聚光器拥有低成本、预制、光学微透镜阵列等优点,可以直接安装在每一个芯片模块上,以促进更多的光子通过光伏效应转换成电子。微型电池则能以更低的成本和更高的效能达到这一目的。此外,由于微型电池板上的芯片密集程度很高,所以能直接输出高电压,从而降低了高压电阻损耗和电线成本。目前,该技术还普遍应用于卫星和遥感领域。

该项目是由美国能源部太阳能技术项目部和美国桑迪亚国家实验室定向研究和开发项目部共同支持,由桑迪亚国家实验室的微系统中心(Sandia's Microsystems Center)联合光伏发电和电网集团(Photovoltaics and Grid Integration Group),和材料设备能源技术集团(Materials, Devices, and Energy Technologies Group),以及美国国家可再生能源实验室的太阳光聚光发电集团(National Renewable Energy Lab's Concentrating Photovoltaics Group)共同承担研发任务。

(责任编辑:Ioter)
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