美研究發(fā)現(xiàn)吸光能力更強(qiáng)的超薄膜光伏電池

太陽(yáng)能電池開發(fā)的一大問(wèn)題是“收益遞減”效應(yīng)，即薄膜越薄，制造成本越低，但變得更薄時(shí)，會(huì)失去捕光能力。加州理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜厚度等于或小于可見光波長(zhǎng)時(shí)，其捕光能力會(huì)變得很強(qiáng)，這可以幫助開發(fā)出厚度僅為當(dāng)前商用薄膜太陽(yáng)電池百分之一的新型電池。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nano Letters》上。

電池的光捕獲能力存在理論極限，稱為“射線-光極值”，用于表示材料能夠捕獲的最大光量，但僅當(dāng)材料達(dá)到一定厚度時(shí)才能達(dá)到這一峰值。目前，研究人員已研制出幾十分之一納米厚的太陽(yáng)電池，但這種薄膜電池會(huì)使大量的光在被吸收前穿透而過(guò)。

　　加州理工學(xué)院應(yīng)用物理和材料科學(xué)教授Harry Atwater及其同事指出，他們制備的薄膜厚度小于可見光波長(zhǎng)（400-700 nm），這種材料由于光的波特性而與其產(chǎn)生相互作用。因此，材料的吸光能力不再取決于材料的厚度，而取決于材料與光線之間的波相互作用。

　　通過(guò)計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，Atwater團(tuán)隊(duì)證實(shí)，提升材料吸光率的技巧在于，創(chuàng)造更多“光態(tài)”給光占據(jù)，這些“光態(tài)”就像空位有點(diǎn)類似電子的能級(jí)，能夠接納特定波長(zhǎng)的光。材料中光態(tài)數(shù)目的多少部分取決于它的折射率，材料折射率越高，越能夠縮短透過(guò)其中的光的波長(zhǎng)，材料也能夠支持越多的“光態(tài)”。早在2010年，斯坦福大學(xué)教授Shanhui Fan等人就發(fā)現(xiàn)，高折射率材料的存在能夠有效提高低折射率材料的折射率，增強(qiáng)其吸光能力。

　　Atwater團(tuán)隊(duì)對(duì)上述思路予以了概括，并證明在許多薄膜吸光材料中塞滿“光態(tài)”會(huì)促使其吸收更多的光。而且可以通過(guò)若干種方法，例如用金屬或者含有光波長(zhǎng)量級(jí)圖案的晶體結(jié)構(gòu)覆蓋在吸光層上，或者將吸光材料嵌入一個(gè)更復(fù)雜的三維陣列中，都可以提高吸光材料的有效折射率。

　　美國(guó)Toledo大學(xué)的Robert Collins表示，Atwater團(tuán)隊(duì)的研究是“非常關(guān)鍵的第一步”。但他也認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)還面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如，需要額外的工業(yè)過(guò)程來(lái)制造這些超薄的薄膜，這會(huì)導(dǎo)致成本增加。