新型材料超强吸光 带来最有效的薄膜太阳能电池

   2011-11-11 凯瑟琳•波尔扎克24190
导读

纳米结构长度决定了什么波长的光会使它产生谐振。新设计的纳米楔形结构,具许多不同的长度,可强烈吸光,末端吸收蓝光,基座吸收红光。有

纳米结构长度决定了什么波长的光会使它产生谐振。新设计的纳米楔形结构,具许多不同的长度,可强烈吸光,末端吸收蓝光,基座吸收红光。

有一种新型纳米结构的材料,可吸收广谱光线,从任何角度都可以吸收,可带来有史以来最有效的薄膜太阳能电池。



集光器:这幅扫描电子显微镜图像,显示超强吸光纳米结构,基座测量值400纳米。
来源:麻省理工科技创业
 
研究人员正把这种设计用于半导体材料,以制作太阳能电池,他们希望在材料成本上省钱,同时仍然可以提供很高的功率转换率。用硅进行的初步测试表明,这样的图案可能会使光吸收提高五倍。

传统太阳能电池通常是100微米厚,或者更厚。研究人员正在研究一些方法,制备更薄的太阳能电池,大约数百纳米厚,而不是数百微米厚,但具有相同的性能,这就可以降低制造成本。然而,通常较薄的太阳能电池只能吸收较少的光线,这意味着不能产生同样多的电力。

一些研究人员正求助于奇特的光学效应,这种效应出现于纳米尺度,可以解决这一难题。哈利•阿特沃特(Harry Atwater)是加州理工学院(Caltech)应用物理和材料科学教授,也是这一领域的先驱,现在他提出一种方法,可以在纳米尺度设计这些材料的模式,把它们制成太阳能超强吸收剂。

与阿特沃特合作的科瑞•艾登(Koray Aydin),现在是美国西北大学(Northwestern University)电气工程和计算机科学助理教授,他们开发这种超级吸收剂设计,充分利用了一种现象,称为光学谐振(optical resonance)。正如无线电天线会谐振并吸收特定的无线电波,纳米光学天线可以谐振和吸收可见光和红外光。结构长度决定了什么波长的光会使它产生谐振。所以,阿特沃特和艾登设计的结构很有效,具许多不同的长度:楔形状,具有尖尖的末端和宽宽的基座。这种薄薄的纳米楔形,可强烈吸光,末端吸收蓝光,基座吸收红光。

阿特沃特和艾登展示了这种宽波段效应的260纳米厚的薄膜,这种薄膜的制备采用一层银,掺杂一层薄薄的二氧化硅,最后再用另一层薄薄的银,末端刻有40纳米的楔形阵列。阿特沃特说,他们选择这些材料,因为它们别具有挑战性:在未制成模式的状态,它们都具有高反射率,但制出图案的薄膜可平均吸收70%的光线,遍布整个可见光谱。这项工作已被介绍,就在网络版《自然•通信》(Nature Communications)杂志上。

凯利•卡其珀尔(Kylie Catchpole)是堪培拉(Canberra)澳大利亚国立大学(Australian National University)的研究员,她说,这种设计是有前途的,因为它可以作用于宽波段光谱。这些效应,卡其珀尔说,“通常对波长都非常敏感。”不过,她指出,这种设计必须用于其他材料,以改善太阳能电池。

艾登和阿特沃特现在正在做这件事。这些研究人员已经制成220纳米厚的硅薄膜,吸光量相当于25倍厚的未成形薄膜。

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