上海交通大学：《走进纳米科学》课程教学资源_一种利用蝶翅纳米吸光结构的太阳能电池的设计.pdf_大学文库

摘要生物结构仿生法一直以来都深受材料学家的关注，研究者也常常受大自然启发，创造出有利于人们生存和发展的新型功能材料。受到某些具有较高光吸收性能的纳米蝶翅微观结构的启发，本文主要研究和设计具有光热转换效率增强的纳米蝶翅多级结构材料。目前商业化太阳能发电站的发电效率仅为14%左右，造成这种现象的最主要原因是太阳能电池板表面存在着反射，这种反射带走了相当一部分的光能，因此本方案立足于制备出具有光热效应的光吸收增强结构，增强太阳能的光热转换效率，挖掘其应用潜能，探索研究仿生功能材料对红外波段的吸收和光热转换，提升太阳能利用的整体效率。本设计的一部分实验实验采取了电镀碳化纳米蝶翅的方法，得到了均匀镀铜的纳米蝶翅，并通过和现有的其他仿生光热增强结构作比较，表面样品微观形貌保持良好，且组分均一稳定，从而在样品制备层面上保证了进一步光热效应表征效果。本设计方案实现了较为经济、便捷、成功地制备有效增强光热转换效率的仿生结构的目标。这种具有较高光热转换效率的多级结构材料，在未来的光电转换传感器、新能源、环保材料等领域均有着较为理想可观的发展应用前景。关键词：Seebeck效应，仿生结构模板，电镀铜蝶翅，表面等离子共振效应 ABSTRACT The Biological structure template method always attracts many material scientists'attention. Researchers are often inspired by nature and then they may create a new kind of functional material for people to live better and have a better environment for development.Inspired by some kind of butterfly wings which show a high light absorption performance,I do the research and design how to prepare photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures in this paper A low efficiency of commercial solar power plant station at only 14%is mainly cause by the reflection on the surface of the solar cell,causing a serious erosion of solar energy.This paper is based on the issue of how to manufacture photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures to increase the solar-thermal conversion efficiency and to use the potential value in application.In this experiment,a method of copper-plating on the carbonized wings of butterfly is designed to get a photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structure.And through a comparison to other existing photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures,a conclusion can be draw that photo thermal conversion effect is successfully conducted in the aspect of manufacturing. This copper-plating method is simple and cost-effective.We can get photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures by this way.This kind of hierarchical structure material has a considerable development prospects in the photo-electric sensors,new energy,environmental friendly materials and many other kind of fields KEY WORDS:Seebeck effect,biological structure template,copper-plating on a carbonized wings of butterfly,Surface Plasmon Resonance 二、立项依据 2.1传统太阳能纯池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。在硅基体上掺入不同类型的杂质

摘要生物结构仿生法一直以来都深受材料学家的关注，研究者也常常受大自然启发，创造出有利于人们生存和发展的新型功能材料。受到某些具有较高光吸收性能的纳米蝶翅微观结构的启发，本文主要研究和设计具有光热转换效率增强的纳米蝶翅多级结构材料。目前商业化太阳能发电站的发电效率仅为 14%左右，造成这种现象的最主要原因是太阳能电池板表面存在着反射，这种反射带走了相当一部分的光能，因此本方案立足于制备出具有光热效应的光吸收增强结构，增强太阳能的光热转换效率，挖掘其应用潜能，探索研究仿生功能材料对红外波段的吸收和光热转换，提升太阳能利用的整体效率。本设计的一部分实验实验采取了电镀碳化纳米蝶翅的方法，得到了均匀镀铜的纳米蝶翅，并通过和现有的其他仿生光热增强结构作比较，表面样品微观形貌保持良好，且组分均一稳定，从而在样品制备层面上保证了进一步光热效应表征效果。本设计方案实现了较为经济、便捷、成功地制备有效增强光热转换效率的仿生结构的目标。这种具有较高光热转换效率的多级结构材料，在未来的光电转换传感器、新能源、环保材料等领域均有着较为理想可观的发展应用前景。关键词：Seebeck 效应，仿生结构模板，电镀铜蝶翅，表面等离子共振效应 ABSTRACT The Biological structure template method always attracts many material scientists’ attention. Researchers are often inspired by nature and then they may create a new kind of functional material for people to live better and have a better environment for development. Inspired by some kind of butterfly wings which show a high light absorption performance, I do the research and design how to prepare photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures in this paper. A low efficiency of commercial solar power plant station at only 14% is mainly cause by the reflection on the surface of the solar cell, causing a serious erosion of solar energy. This paper is based on the issue of how to manufacture photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures to increase the solar-thermal conversion efficiency and to use the potential value in application. In this experiment, a method of copper-plating on the carbonized wings of butterfly is designed to get a photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structure. And through a comparison to other existing photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures, a conclusion can be draw that photo thermal conversion effect is successfully conducted in the aspect of manufacturing. This copper-plating method is simple and cost-effective. We can get photo thermal conversion efficiency enhanced hierarchical structures by this way. This kind of hierarchical structure material has a considerable development prospects in the photo-electric sensors, new energy, environmental friendly materials and many other kind of fields. KEY WORDS: Seebeck effect, biological structure template， copper-plating on a carbonized wings of butterfly，Surface Plasmon Resonance 二、立项依据 2.1 传统太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏特效应。在硅基体上掺入不同类型的杂质

可以得到P型半导体和N型半导体，将两种半导体直接接触连在一起，就得到了半导体PN结。当PW结受到光照时，PN结内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应[1]。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，会产生光生电压。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。当太阳光线照射太阳电池表面由P,N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，一部分光子被硅材料吸收：光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，形成新的空穴由·电子对.在p一n结电场的作用下，空穴由n区流向P区，电子由P区流向n区，形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会产生一定的电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率[2]。这个过程的实质是：光子的能量转换成电能的过程。太陽光量流 n型半導瞪 00090a位一電極 p型半導船图1.太阳能电池工作原理 2.2纳米蝶翅结构捕获光原理在一些深色蝴蝶刚刚被发现的时候，人们对蝶翅上的黑色了解比较有限，认为这只是色素吸收了光的作用所导致的，但是随着研究手段的进步，人们发现了蝶翅表面结构吸光的奥秘。以山兰凤蝶为例，这种蝴蝶不只是通过化学色素吸收方式吸收光，更是通过一种物理方式，即一种特别的光学手段来使其黑色部分显得更黑，因为它包含黑色素的微细鳞片结构能“捕捉”住光，由此创造出一种比黑色还黑的“超黑”。研究者发现，山兰凤蝶翅膀中的微细鳞片结构是排列成许多直径不超过1μm的小凹坑。这种结构能够最大限度地利用介质光折射率的不同而“捕捉”光。光通过2种不同折射率的介质时，会发生折射和虚化现象，其中一些光会被“捕捉”在密度较大的介质中。水对s气的光折射率之比为1.3：1，而山兰凤蝶机体组织对空气的光折射率之比为 1.6:1,这就使其中的色素能最大限度地吸收光[3,4]。科学家经过研究发现，这些具有“捕捉光”结构的蝶翅可以有效降低蝶翅对光的反射率，从而使蝶翅上有此结构的区域变成超黑色。此外，复杂的三维结构有增加了光程，使得被反射出的光越来越少，这也是一个结构吸光的另一个重要的原理[5]。在这两个原理的共同作用下，光的反射会被进一步的削弱

可以得到 P 型半导体和 N 型半导体，将两种半导体直接接触连在一起，就得到了半导体 PN 结。当 PN 结受到光照时，PN 结内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应[1]。当太阳光或其他光照射半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的两边出现电压，会产生光生电压。能产生光伏效应的材料有许多种，如:单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。当太阳光线照射太阳电池表面由 P, N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，形成新的空穴由·电子对.在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 P 区，电子由 P 区流向 n 区，形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会产生一定的电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率[2]。这个过程的实质是:光子的能量转换成电能的过程。图 1. 太阳能电池工作原理 2.2 纳米蝶翅结构捕获光原理在一些深色蝴蝶刚刚被发现的时候，人们对蝶翅上的黑色了解比较有限，认为这只是色素吸收了光的作用所导致的，但是随着研究手段的进步，人们发现了蝶翅表面结构吸光的奥秘。以山兰凤蝶为例，这种蝴蝶不只是通过化学色素吸收方式吸收光，更是通过一种物理方式，即一种特别的光学手段来使其黑色部分显得更黑，因为它包含黑色素的微细鳞片结构能“捕捉”住光，由此创造出一种比黑色还黑的“超黑”。研究者发现，山兰凤蝶翅膀中的微细鳞片结构是排列成许多直径不超过 1 μm 的小凹坑。这种结构能够最大限度地利用介质光折射率的不同而“捕捉”光。光通过 2 种不同折射率的介质时，会发生折射和虚化现象，其中一些光会被“捕捉”在密度较大的介质中。水对 s 气的光折射率之比为 1.3:1,而山兰凤蝶机体组织对空气的光折射率之比为 1.6:1，这就使其中的色素能最大限度地吸收光[3, 4]。科学家经过研究发现，这些具有“捕捉光”结构的蝶翅可以有效降低蝶翅对光的反射率，从而使蝶翅上有此结构的区域变成超黑色。此外，复杂的三维结构有增加了光程，使得被反射出的光越来越少，这也是一个结构吸光的另一个重要的原理[5]。在这两个原理的共同作用下，光的反射会被进一步的削弱

100μm 50m (d) 1μm 图2.不同放大倍率下的Papilio Paris butterfly蝶翅表面微结构(SEM) 2.3现有的太阳能纯池的不足之处及改进措施研究表明，商业使用的大阳能电池效率目前不超过20%，约为14%，而实验室中的大阳能电池目前效率也只接近30%[6]。造成这种利用效率较低的最主要原因是太阳能面板存在表面反射，且目前的抗反射膜技术仅能部分吸收可见波段的太阳能，从而损失掉了相当一部分近紫外、可见和近红外波段的太阳光能量。实际上，天然设计的具有优异的光采集、光吸收效率的结构在自然界中早已存在。出于生存需要，寒冷气候下和高海拔地区的蝴蝶翅膀进化出与众不同的深色（黑色或者深灰褐色）。相对于其他颜色，深色的翅膀能使其吸收更多的能量，从而能使自己的体温快速升高到合适的温度，增加其在寒冷气候下和高海拔地区的生存机率。最近研究发现，某些蝴蝶不只是通过色素吸收这一化学方式，更是通过物理方式即一种特别的光学手段来使其黑色部分显得更黑：蝶翅表面的微细鳞片结构能够“捕捉”住光，由此创造出一种比黑色还要黑的“超黑”鳞片。蜂窝状的鳞片结构起着类似光陷阱的作用，如同光在光纤中的传播。研究不同光响应的蝶翅及其他生物功能材料，对于研究结构、材质对于相关光功能的影响规律极为有价值，进而对于设计、优化、制备先进光热或光热电器件具有重要的理论价值和实际意义。 2.4 Seebeck效应原理在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个金属的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。这种效应称为Seebeck效应。Seebeck效应存在十分广泛，现阶段又发现这一效应同时存在于半导体材料硅之中[7]

图 2. 不同放大倍率下的 Papilio Paris butterfly 蝶翅表面微结构（SEM） 2.3 现有的太阳能电池的不足之处及改进措施研究表明，商业使用的太阳能电池效率目前不超过 20%，约为 14%，而实验室中的太阳能电池目前效率也只接近 30%[6]。造成这种利用效率较低的最主要原因是太阳能面板存在表面反射,且目前的抗反射膜技术仅能部分吸收可见波段的太阳能,从而损失掉了相当一部分近紫外、可见和近红外波段的太阳光能量。实际上，天然设计的具有优异的光采集、光吸收效率的结构在自然界中早已存在。出于生存需要，寒冷气候下和高海拔地区的蝴蝶翅膀进化出与众不同的深色（黑色或者深灰褐色）。相对于其他颜色，深色的翅膀能使其吸收更多的能量，从而能使自己的体温快速升高到合适的温度，增加其在寒冷气候下和高海拔地区的生存机率。最近研究发现，某些蝴蝶不只是通过色素吸收这一化学方式，更是通过物理方式即一种特别的光学手段来使其黑色部分显得更黑：蝶翅表面的微细鳞片结构能够“捕捉”住光，由此创造出一种比黑色还要黑的“超黑”鳞片。蜂窝状的鳞片结构起着类似光陷阱的作用，如同光在光纤中的传播。研究不同光响应的蝶翅及其他生物功能材料，对于研究结构、材质对于相关光功能的影响规律极为有价值，进而对于设计、优化、制备先进光热或光热电器件具有重要的理论价值和实际意义。 2.4 Seebeck 效应原理在两种金属 A 和 B 组成的回路中，如果使两个金属的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。这种效应称为 Seebeck 效应。Seebeck 效应存在十分广泛，现阶段又发现这一效应同时存在于半导体材料硅之中[7]

给予Seebeck effect,可以给传统的太阳能电池附加一个热偶温差条件，通过该效应也可以产生电能，而且电能较为稳定，质量高。由于Seebeck效应产生的电压和电能都与两极温差有关，因此运用表面等离子体共振技术将更多的光能转换成电能，提高其经济效益。三者关系互相关联，共同构成本方案的三个主要方面太阳能表面反射率高光能利用效率低减少被反射的光能能量利用蝶翅特定捕光结构同时利用Seebeck效应增加入射太阳光的吸收进行温差发电表面等离子体共振转化利用更多的光能图5本方案设计思路简图 3.2方案可行性分析以及本方案设计的优点鉴于目前太阳能电池发电效率较低，因此本设计方案具有针对性解决的优势。目前，国内外的研究表明利用仿生结构来增加太阳能的利用率是可行的。比如在利用苔藓表面介孔结构材料代替传统铂电极，可以在相同的成本下提高染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转换效率以及发电功率[8]。本设计所采用的Papilio Paris butterfly蝶翅具有“超黑色”的结构，可以极大地吸收并转换成热能，同时，在传统的光子激发型的太阳能电池基础上，再加上Seebeck效应来进行热偶温差发电，同时利用表面等离子体共振效应增加吸收的光能，使之变为热能，从而进一步把利用Seebeck效应发电的效率提高。基于文献支持，这种复合式太阳能发电的可行性是存在的，而且相比于传统的太阳能电池，发电效率将大幅提高。在“大学生创新项目”进行的过程中，我已经通过实验的手段得到了具有光热增强吸收结构的纳米镀铜蝶翅结构，镀铜是为了获得最佳的表面等离子体共振效应，从而增加光的利用率。此外，本人还对这种纳米镀铜蝶翅结构的光热效应进行了光热转换效率的测试，结果超过了现有的太阳能电池的光热转换效率（具体数据由于要发表在相关期刊上，在此不便列举），因此证明了这种设计方案在实验上也是具有可行性的

3.3项目的技术难点和不足目前最大的一个技术难点就是如何制备具有纳米蝶翅结构的生物膜版。由于蝶翅纳米结构呈三维排列，且尺寸精度约在l0~100m数量级，目前人类尚不能运用已有的数控车床，铣床等减材加工手段对蝶翅纳米结构进行大规模工业化生产。至于本方案的不足，成本是最大的问题。由于只有特定的蝶翅特定的结构才具有捕捉光的能力，因此获得原材料这一步会对该方案的工业化生产应用带来极大的困难。对于此困难，本人目前有两个解决方案。一是利用增材制造，即3D打印，在纳米结构上利用外界的电磁场或者量子场使得纳米颗粒排列出蝶翅纳米结构的三维排列，再在合适的温度下烧结成型，可直接得到目标产品；二是利用转基因技术，将蝴蝶中控制蝶翅表面纳米结构排列的基因移植给一些其他高产昆虫，比如人见人恨的蟑螂，使得蟑螂能够成长出具有纳米蝶翅结构的翅膀，再将蟑螂杀死，取其翅膀作为原料。由于蟑螂的繁殖性极强以及对环境的耐受力超乎寻常，因此第二种方法更加有可能实现大规模的应用。四、结论综上所述，将蝶翅的纳米吸光结构应用在太阳能电池板的表面，并且附加上一套热偶温差发电的装置可以有效降低入射太阳光的反射率，同时提高太阳能电池的发电效率，具有非常广泛的应用前景，尤其是适用于阳光辐射较弱的地区以及在太空中服役的人造卫星、空间站等等设备。在最后，本文提出了对蝶翅的纳米吸光结构的工业化生产的两条建议，可以有效地打破这一设计方案的应用瓶颈，将大规模应用方面的难关攻克。相信在不久的将来，这一设计方案将为人们带来太阳能利用方面的福音。五、谢辞感谢学校教务处的领导与教授为我们开设走进纳米科学的这一门含金量很高的课程，让我们有机会接触更多的纳米科技应用的信息；感谢程老师在走进纳米科学课堂上的精彩讲解，把我们带向了更加深的纳米科技研究领域：同时也感谢在我做PPT演讲时提问的同学，他们的提问和质疑也让我看到了本方案原来的一些缺点，使得我能有机会进行改正。六、参考文献 1. 王霞：太阳能电池工作原理与种类.中国科技财富2010：193. 2. 李崇华：太阳能电池工作原理与种类.电气技术2009：128-130. 3. 马克智：超黑蝴蝶的启示.科学之友2006：21. 4. 周道其：蝴蝶知道怎样"涂黑"翅膀.现代科技译丛2004：44. 5 Vukusic P,Sambles J,Lawrence C:Structurally assisted blackness in butterfly scales. Proceedings of the Royal Society of London Series B:Biological Sciences 2004,271:S237-S239. 6. Green MA:High efficiency silicon solar cells.In Seventh EC Photovoltaic Solar Energy ConferenceSpringer;1987:681-687

3.3 项目的技术难点和不足目前最大的一个技术难点就是如何制备具有纳米蝶翅结构的生物膜版。由于蝶翅纳米结构呈三维排列，且尺寸精度约在 10~100nm 数量级，目前人类尚不能运用已有的数控车床，铣床等减材加工手段对蝶翅纳米结构进行大规模工业化生产。至于本方案的不足，成本是最大的问题。由于只有特定的蝶翅特定的结构才具有捕捉光的能力，因此获得原材料这一步会对该方案的工业化生产应用带来极大的困难。对于此困难，本人目前有两个解决方案。一是利用增材制造，即 3D 打印，在纳米结构上利用外界的电磁场或者量子场使得纳米颗粒排列出蝶翅纳米结构的三维排列，再在合适的温度下烧结成型，可直接得到目标产品；二是利用转基因技术，将蝴蝶中控制蝶翅表面纳米结构排列的基因移植给一些其他高产昆虫，比如人见人恨的蟑螂，使得蟑螂能够成长出具有纳米蝶翅结构的翅膀，再将蟑螂杀死，取其翅膀作为原料。由于蟑螂的繁殖性极强以及对环境的耐受力超乎寻常，因此第二种方法更加有可能实现大规模的应用。四、结论综上所述，将蝶翅的纳米吸光结构应用在太阳能电池板的表面，并且附加上一套热偶温差发电的装置可以有效降低入射太阳光的反射率，同时提高太阳能电池的发电效率，具有非常广泛的应用前景，尤其是适用于阳光辐射较弱的地区以及在太空中服役的人造卫星、空间站等等设备。在最后，本文提出了对蝶翅的纳米吸光结构的工业化生产的两条建议，可以有效地打破这一设计方案的应用瓶颈，将大规模应用方面的难关攻克。相信在不久的将来，这一设计方案将为人们带来太阳能利用方面的福音。五、谢辞感谢学校教务处的领导与教授为我们开设走进纳米科学的这一门含金量很高的课程，让我们有机会接触更多的纳米科技应用的信息；感谢程老师在走进纳米科学课堂上的精彩讲解，把我们带向了更加深的纳米科技研究领域；同时也感谢在我做 PPT 演讲时提问的同学，他们的提问和质疑也让我看到了本方案原来的一些缺点，使得我能有机会进行改正。六、参考文献 1. 王霞: 太阳能电池工作原理与种类. 中国科技财富 2010:193. 2. 李崇华: 太阳能电池工作原理与种类. 电气技术 2009:128-130. 3. 马克智: 超黑蝴蝶的启示. 科学之友 2006:21. 4. 周道其: 蝴蝶知道怎样"涂黑"翅膀. 现代科技译丛 2004:44. 5. Vukusic P, Sambles J, Lawrence C: Structurally assisted blackness in butterfly scales. Proceedings of the Royal Society of London Series B: Biological Sciences 2004, 271:S237-S239. 6. Green MA: High efficiency silicon solar cells. In Seventh EC Photovoltaic Solar Energy ConferenceSpringer; 1987: 681-687