香港理工大學（理大）研究團隊研發出一款使用簡便、成本低廉的水凝膠塗層，不但可提升太陽能板散熱效能，大幅降低「熱斑」溫度，更能增加發電效益，助力香港實現城市碳中和目標。長久以來，大陽能板經常因局部被陰影遮蔽而形成熱斑，導致發電效率下跌，長遠更影響整個供電系統穩定，理大這項創新技術，正為解決這一行業痛點提供了有效方案。
理大能源與建築講座教授嚴晉躍教授（右二）連同建築環境及能源工程學系助理教授（研究）劉俊偉博士（右三），帶領團隊研發水凝膠塗層，可提升太陽能板的冷卻效能，以增加發電效益。
這項創新的水凝膠冷卻技術由理大能源與建築講座教授嚴晉躍教授，連同建築環境及能源工程學系助理教授(研究)劉俊偉博士領導的團隊研發而成。其研究結果顯示，在太陽能板應用此水凝膠塗層後，最高可將熱斑溫度降低 16 °C，並提升發電輸出功率達13%。在「建築集成太陽能系統」應用此水凝膠塗層，有望緩解近一半因熱斑造成的發電功率損失，長遠能有效提升太陽能光伏應用於建築物供電的穩定與效能。
理大團隊的研究結果顯示，在太陽能板應用其水凝膠塗層後，最高可將太陽能板的熱斑溫度降低16°C，並提升發電輸出功率達13%。
嚴教授表示:「我們團隊研發的水凝膠冷卻技術，毋須改動現有電路設計，就能有效緩解太陽能板熱斑問題，成本低且使用簡易，適合於不同城市應用。以香港和新加坡為例，團隊推算可分別提升其年發電量 6.5%和7.0%，預計投資回報期分別只需4.5年和 3.2年。放眼全球，這技術更可望減少城市建築集成光伏系統中約 50%因熱斑引致的發電損失，足見其在推動太陽能發展上的關鍵作用。」
理大能源與建築講座教授嚴晉躍教授（右二）連同建築環境及能源工程學系助理教授（研究）劉俊偉博士（右三），帶領團隊研發水凝膠塗層，可提升太陽能板的冷卻效能，以增加發電效益。
熱斑對太陽能光伏系統的影響不容輕視，除了會因系統運作溫度上升而降低發電效率，嚴重時更可能引致火警。現有研究顯示，330萬塊光伏組件中，有36.5%存在熱斑問題，這些有缺陷的組件平均溫度上升逾21℃，加速太陽能板老化耗損。理大研發的這款水凝膠塗層，除具優秀降溫效能，耐用性亦表現出色，適合在戶外長期使用。
劉博士補充:「我們團隊將天然高分子材料『羥乙基纖維素』、纖維質成分『葉狀棉線』，與水凝膠骨架材料結合，解決了傳統水凝膠長期使用易開裂、收縮的技術難題。傳統水凝膠經長期使用後，體積收縮最多可達46%，而我們的創新技術能大幅減少開裂與收縮情況，將體積收縮率降至34%。展望未來，我們希望以這項水凝膠蒸發冷卻技術為基礎，推動新興光伏技術的發展與普及應用。」
由香港理工大學、香港城市大學及華中科技大學學者組成的聯合研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔立體網狀骨架具有強大的機電感知能力，能迅速感應水流。團隊更利用3D打印技術，成功製造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破。
由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鑽開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，並利用3D打印技術製造仿生超材料傳感器。
研究團隊在刺冠海膽身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。電學測量發現，棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓；水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中依然存在，證明相關機制與生物細胞無關。
研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。
這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架。該骨架由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化：基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經此多孔結構時，流液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，誘導界面電荷的分離和重新排佈，從而產生電壓差。梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈，使電壓差更強，從而提升感知能力。
團隊觀察到，當海水滴落在海膽棘刺尖端時，棘刺會迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓。
受此發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作出模仿棘刺結構的樣本。實驗證實，在水流刺激下，仿生梯度設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在於結構而非材料。
團隊更構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用梯度多孔結構。該傳感器無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。研究指出，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號傳遞，提升了傳感器的精準度及靈敏度。
這種強大的機電感知機制可以複製至不同材料，並有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術。例如在腦機接口中，可用以增強腦電波及神經訊號的傳遞。
海膽棘刺的機電感知能力源自其內部獨特的雙連續梯度多孔立體網狀骨架：由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。
領導研究的理大協理副校長（研究）、研究生院長王鑽開表示，相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。
研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。
王鑽開期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力。他亦指出，對於天然多孔材料而言，強度等力學性能或許並非其核心功能，深入探索這些鮮為人知的生物機制，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義。
此項聯合研究已刊登於國際頂尖學術期刊《自然》上。
