光激活材料使趋光的太阳能电池成为可能

塔夫茨大学（Tufts University）研究人员开发的光激活复合器件在测试中展示出能够执行精确的可见运动并形成复杂的3D形状的能力。这种材料能够在没有电缆或其它驱动介质或能源的情况下工作。该设计结合了可编程光子晶体和弹性复合材料，塔夫茨大学的研究人员在宏观和纳米尺度上进行设计，从而对光照作出响应。该材料由两层组成：一层是由丝素蛋白质组成的光学薄膜，它经过了金纳米粒子（AuNPs）掺杂，从而形成光子晶体；另一层是聚二甲基硅氧烷（PDMS）的基板，这是一种硅基聚合物。

呈花形的光子材料可随着光线移动，密切的跟踪最大曝光的角度。塔夫茨大学Fiorenzo Omenetto供图。

丝素蛋白层高度灵活并且具有耐用性，而且具有热膨胀（CTE）的负系数，这意味着它在加热时收缩，冷却时膨胀。相反，PDMS 具有较高的CTE，加热时会迅速膨胀。当材料暴露在光线下时，一层的加热速度比另一层快得多，导致材料在一侧膨胀时弯曲，而另一层则收缩或更缓慢的膨胀。"通过我们的方法，我们可以在多个尺度上通过设计它们吸收和反射光线的方式，对这些类似蛋白石的薄膜进行图案设计，"通讯作者、Frank C. Doble工程学教授Fiorenzo Omenetto说。

光机械器件能够将光转换为运动，其通常需要复杂且高能耗的制造或者搭建。Omenetto说，使用这种新器件，该团队能够实现对光能转换进行精细的控制。它还能产生材料的宏观运动，而无需电力（电缆）。团队成员通过掩模技术设计光子晶体特定图案，然后将材料暴露在水蒸气中以生图案。表面水的图案改变了薄膜吸收和反射光的波长，使材料在被激光照亮时，会根据图案的特定几何形状以特定的方式弯曲、折叠和扭曲。研究人员通过制造一种"光子向日葵"来证明这种方法，这种"光子向日葵"与双层薄膜中的集成太阳能电池一起，这样使得太阳能电池能够跟踪光源。这些器件在太阳能电池和激光束之间保持着一个共同的角度，显示出最佳的性能和效率。由于该系统跟在白光条件下的工作类似，它也展示了太阳能行业的潜力，其无线工作的形式，光响应和趋光的特性能够提高光能转换的效率。

这项研究发表在《Nature Communications》(www.doi.org/10.1038/s41467-021-21764-6)上。