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美研究发现吸光能力更强的超薄膜光伏电池

导读: 困扰着薄膜太阳电池开发的一大问题是“收益递减”效应,即薄膜越薄,制造成本越低,但变得更薄时,会失去捕光能力。加州理工学院的研究人员发现,当薄膜厚度等于或小于可见光波长时,其捕光能力会变得很强,这可以帮助开发出厚度仅为当前商用薄膜太阳电池百分之一的新型电池

  困扰着薄膜太阳能电池开发的一大问题是“收益递减”效应,即薄膜越薄,制造成本越低,但变得更薄时,会失去捕光能力。加州理工学院的研究人员发现,当薄膜厚度等于或小于可见光波长时,其捕光能力会变得很强,这可以帮助开发出厚度仅为当前商用薄膜太阳电池百分之一的新型电池。相关研究成果发表在《Nano Letters》上。

  传统薄膜太阳能电池的光捕获能力存在理论极限,称为“射线-光极值”,用于表示材料能够捕获的最大光量,但仅当材料达到一定厚度时才能达到这一峰值。目前,研究人员已研制出几十分之一纳米厚的太阳电池,但这种薄膜电池会使大量的光在被吸收前穿透而过。

  加州理工学院应用物理和材料科学教授Harry Atwater及其同事指出,他们制备的薄膜厚度小于可见光波长(400-700 nm),这种材料由于光的波特性而与其产生相互作用。因此,材料的吸光能力不再取决于材料的厚度,而取决于材料与光线之间的波相互作用。

  通过计算和计算机模拟,Atwater团队证实,提升材料吸光率的技巧在于,创造更多“光态”给光占据,这些“光态”就像空位有点类似电子的能级,能够接纳特定波长的光。材料中光态数目的多少部分取决于它的折射率,材料折射率越高,越能够缩短透过其中的光的波长,材料也能够支持越多的“光态”。早在2010年,斯坦福大学教授Shanhui Fan等人就发现,高折射率材料的存在能够有效提高低折射率材料的折射率,增强其吸光能力。

  Atwater团队对上述思路予以了概括,并证明在许多薄膜吸光材料中塞满“光态”会促使其吸收更多的光。而且可以通过若干种方法,例如用金属或者含有光波长量级图案的晶体结构覆盖在吸光层上,或者将吸光材料嵌入一个更复杂的三维阵列中,都可以提高吸光材料的有效折射率。

  美国Toledo大学的Robert Collins表示,Atwater团队的研究是“非常关键的第一步”。但他也认为,这项技术还面临着诸多挑战,比如,需要额外的工业过程来制造这些超薄的薄膜,这会导致成本增加。

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