柔性太阳能电池板助力自主无人机实现更长的飞行时间

由林茨约翰内斯开普勒大学工程师领导的研究团队推出了一种超轻高效的太阳能电池板设计。这种新型柔性太阳能电池板为各种下一代应用打开了大门，包括自充电无人机等等。以下是您需要了解的信息。

无人机为何需要自主电力系统

人类仍在不断探索自主能源，为人类的研究和探索提供动力。在很多情况下，这些系统是唯一的选择。例如，火星直升机“机智号”（Ingenuity）就展示了这些系统提供的动力和附加功能。这架自给自足的太阳能无人机在火星上进行了多次无人飞行，为工程师和研究人员提供了宝贵的数据。

太阳能如何助力 NASA 火星直升机

回顾“机智号”的成功，不难发现无人机的自主供电系统是此次任务的关键组成部分。如果无法在长时间使用后重新供电，Mar 号的直升机就只能进行一次性飞行，几乎不值得花费那么多钱。

然而，该飞行器强大的自供电能力使其能够成功执行多项任务。具体来说，该飞行器利用太阳能电池板为其六块锂离子电池充电。这些电池充满电后可提供90秒的飞行时间。

为什么太阳能是太空无人机唯一可行的能源

有几个原因导致只有太阳能才能满足太空旅行的需求。首先，携带燃料、发动机或其他部件的成本太高，因此建立一个满足这些需求的系统不值得投资。

此外，充电站、电缆和其他要求也会使直升机过重，无法飞行。由于火星大气条件不同，飞行需要更大的升力。因此，工程师需要确保直升机尽可能轻。太阳能电池板显然是解决方案。

什么是钙钛矿太阳能电池及其重要性

值得注意的是，在研究人员可用的众多可再生能源方案中，太阳能电池板是最易获得且最合理的。最近的发展使太阳能电池板更加高效、更轻便。钙钛矿太阳能电池的使用因多种原因而改变了行业格局。

钙钛矿太阳能电池为工程师提供了制造超薄柔性太阳能电池的能力。这些电池采用轻量化设计，效率更高。这种设计使钙钛矿太阳能电池成为无人机供电中最常用的材料之一。

限制钙钛矿太阳能应用的挑战

钙钛矿太阳能电池的进一步开发和应用存在一些问题。首先，它们的工作稳定性较差。这类器件非常敏感，任何突然的运动、碰撞，甚至灰尘都会降低器件的效率。值得庆幸的是，工程师们已经开发出一些独特的变体，可以用于更具体的用例，例如自主无人机。

技术内幕：二维钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池集成了层状晶体结构，从而打造出更轻、更高效的设计。这些装置是目前最先进的太阳能电池板。它们集成了金属卤化物片，利用有机空间最大限度地提高光转换效率。值得注意的是，二维钙钛矿的化学式为 RAn-2BnX1n+3。

二维钙钛矿太阳能电池板对无人机的优势

二维钙钛矿电池仍然是无人机工程师的首选，原因有很多。首先，它们具有更好的热稳定性和耐湿性。这些设备内置的有机空间至关重要，因为它们可以充当疏水屏障。

此外，与传统太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的光致发光量子产率 (PLQY) 更高。其晶体结构使这些单元能够在整个器件中提供更稳定、更均匀的功率。有趣的是，现在出现了 3D 钙钛矿太阳能电池。主要区别在于晶体的精确排列。

研究概述：轻质柔性太阳能电池板的突破

研究 ”柔性准二维钙钛矿太阳能电池，具有高比功率和更高的稳定性，适用于能源自主无人机“¹ 发表在《自然》杂志上的一项研究揭示了一种新型太阳能电池。

透明导电、无氧化物的准二维钙钛矿太阳能电池采用微型轻量化设计，能够提供可靠稳定的发电。这种新设计有望为未来的太空探索及其他应用提供动力。

来源——自然能源

约翰肯塔基大学的研究人员分享了超轻准二维钙钛矿太阳能电池的设计和制造过程。他们首先确保该器件非常薄且具有柔韧性。

工程师们还将α-甲基苄基碘化铵直接添加到光活性钙钛矿层中。这一步骤使得应用厚度仅为2.5微米的超薄聚合物箔变得更加容易。令人印象深刻的是，它的尺寸比人的头发还要小20倍。之后，它被涂覆了一层氧化铝阻隔层，有助于进一步优化太阳能发电能力。

 在自主无人机平台上进行真实世界测试

作为测试过程的一部分，团队对一架现成的四轴飞行器进行了改装，以便利用其太阳能电池板。具体来说，他们在该装置上安装了24块相互连接的1平方厘米太阳能电池。值得注意的是，这些电池超薄超轻，重量不到飞行器总重量的四百分之一。

工程师们进行了多项测试，以确保他们的设备正常运行，并能够产生在性能和稳定性演示中预测的能量。该设备记录的冠军级功率为44 W/g，平均功率略低，为41 W。该设备能够以1.15 V的开路电压供电。总体而言，它的效率达到了20.1%，平均效率为18.1%。

性能结果：功率密度和效率指标

结果表明，超轻钙钛矿太阳能电池为自主能量收集装置提供了一种经济高效的解决方案。该器件卓越的性能和每克44瓦的功率输出使其在当今的竞争技术中脱颖而出。

此外，测试证明，这些电源装置能够使无人机实现更长的飞行时间，并实现“充电-飞行-充电”的连续循环，无需有线充电。这些因素表明，这种方法最终将使自主设备能够在全球范围内运行。

为什么柔性钙钛矿太阳能电池板会改变游戏规则

新的太阳能电池板设计带来了诸多好处。首先，它们能够为超轻、节能的电子设备提供自供电能力。未来，您的电子设备可能无需任何电源插头，也无需花费您的运行成本。相反，它们可以直接利用这些太阳能电池获取能量。

轻量化设计，方便挪动

这些太阳能电池的轻量化设计使其成为自主飞行或其他微型应用的理想选择。这些电池足够小，可以让设备在不干扰其运行的情况下继续飞行。因此，它们必将在未来实现更多的集成。

适应

这些太阳能电池具有高度的适应性，能够满足各种使用场景。它们可以形成特定的形状，也可以安装在较小的表面上，并提供足够的能量来完成任务。未来，工程师们将致力于创造更加灵活的设计。

高效的

自太阳能电池板技术发展初期以来，其效率一直是人们关注的焦点。如今的太阳能电池效率不高，大部分能量都因热量和其他因素而损失。这项最新设计有助于提高效率，并为工程师提供更大的设计灵活性，同时又不影响性能。

轻型太阳能电池板的实际用例

这些新型太阳能电池板的应用范围十分广泛。首先，其超薄设计和高功率输出使其成为各种小型发电需求的理想选择。以下仅列举了这些设备的一些潜在应用。

航空航天工业

航空航天业可以以多种方式利用这项技术。从为无限航程的无人机和飞行器提供动力，到支持探索新星球。航空航天业已经整合了这项技术的先前迭代，取得了令人瞩目的里程碑。现在，这项技术已准备好为新一代探险家和科学家提供动力。

可穿戴电子产品

可穿戴设备是一个快速发展的科技领域，涵盖多个行业。这些设备的功能远不止智能手机。一些医疗设备可以记录患者的关键数据，借助这项技术，它们的使用范围和使用寿命将得到延长。此外，个人安全设备的使用寿命也将延长，效率也将提升。

物联网

物联网是一个庞大的科技领域，涵盖数十亿智能设备。这些设备目前依赖电池和电源。未来，它们可能不再需要这些，因为太阳能可以帮助它们以更少的投入实现同样的效果。值得注意的是，数十亿智能设备都属于物联网范畴。因此，集成自供电功能将改变行业格局。

搜索和救援

另一个值得关注的焦点是利用这些系统为搜救无人机提供动力。目前，能够适应狭窄空间（例如穿过管道或裂缝）的软体机器人已被视为未来灾难救援工作的最佳选择。为这些设备添加自供电系统将增强其能力，并使其能够长时间运行。

地图绘制

太阳能无人机将是大规模测绘作业的理想解决方案。你可能认为测绘是一门古老的科学，但事实并非如此。地球每天都在变化，具体的边界、资源和其他重要特征也在发生变化。因此，绘制这些变化的地图是追踪环境和其他重要发展的重要方面。

无线太阳能测绘无人机可以飞越大范围，无需人工干预即可提供最新的地图细节。采用太阳能供电将有助于这些设备实现目标，避免返回充电站带来的额外延误。

认识突破性设计背后的研究人员

约翰尼斯开普勒大学林茨分校的研究人员领导了这项柔性太阳能电池板研究。该论文的主要作者包括贝克勒·海尔·格纳 (Bekele Haile Gnaw)、斯捷潘·德姆奇辛 (Stepan Demchyshyn)、克里斯托夫·普茨 (Christoph Putz)、卢卡斯·E·莱纳 (Lukas E. Lehner)、大卫·席勒 (David Schiller)、罗兰·普鲁克纳 (Roland Pruckner) 和马丁·卡尔滕布伦纳 (Martin Kaltenbrunner)。目前，该团队正在努力改进他们的设计，使其更小巧、更高效。

股票聚焦：First Solar 和太阳能技术的未来

有多家公司在太阳能电池板竞赛中处于领先地位。这些公司不断推动创新，力求将更小、更高效的太阳能电池板推向大众。这项最新进展必将帮助这些公司实现目标。以下是一家有望充分利用这些发展成果的公司。

第一太阳能

First Solar 于 1999 年以 First Solar Holdings 的名义进入市场。其目标是为工业和企业级客户提供高端高效的太阳能电池板。因此，其主要市场是为大型太阳能发电厂提供太阳能电池板。该公司总部位于亚利桑那州坦佩。

自成立以来，该公司不断拓展业务和产品线，涵盖一系列太阳能相关产品。值得一提的是，该公司率先开发了超薄半导体技术，并在推动太阳能电池板行业提高回收利用率方面发挥了重要作用。如今，它被认为是太阳能电池板制造领域最环保的选择之一。

过去一年，First Solar的股价有所下跌，部分原因是乌克兰冲突等因素。尽管股价下跌，但许多分析师预测其未来需求将有所增长。

该公司目前正在开发新产品，并在美国、马来西亚和越南设有生产基地。那些寻求可靠且受认可的太阳能股票的人应该考虑对 FSLR 进行更多研究。

First Solar 的最新消息

太阳能的未来：无线、自供电设备

审视这项研究的技术和潜力，我们可以清楚地看到，未来很可能由太阳能等可再生能源驱动。随着这些太阳能电池板变得更经济、更小巧、更高效，它们将得到更广泛的集成。

将来，你或许无需更换电子设备，只需将它们放在窗边十分钟即可。这一切，甚至更多，都归功于柔性太阳能电池板研究中提出的创新理念。

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参考研究：

^{1. Hailegnaw，B.、Demchyshyn，S.、Putz，C. et al. 柔性准二维钙钛矿太阳能电池，具有高比功率和更高的稳定性，适用于能源自主无人机。 国家能源 9，677-690（2024）。 https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}