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最高效率:黑色太阳能电池板

2015-08-17 00:08
逆光飞舞
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  太阳能电池顾名思义就是把太阳光转成电能,有越多太阳光被吸收,就能产生越多的电子。太阳能电池目前最普遍的材料是硅(Si),但硅本身对可见光有40%左右的反射,也就是说照射到硅表面上的太阳光有40%被直接弹回去,无法利用,因此在生产太阳能板射,会在硅表面制作抗反射层,降低反射的损失。反射率越低,就代表越多的光被硅吸收,转成的电能也越多。

  既然要把光都吸收,太阳能电池表面应该要越黑越好,但大家印象中的太阳能板都有点偏深蓝色,这是因为这种太阳能电池的抗反射层无法完全把蓝光的反射率降到接近0,由于蓝光的反射率比其他颜色的光要高,所以看上去就会是深蓝色。因此要让太阳光能充分被利用,就要努力使材料表面几乎不反射,只吸收,颜色也当然会是黑色。“黑色”的硅就是工程师们努力的目标,一般来说要制作抗反射层,需要把硅表面蚀刻出微米甚至是奈米状的粗糙结构,结构越小越细,反射率就会越低。

  这项技术本身并不难做到,黑硅(black silicon)也早就被研发出来了,但黑硅有一个很严重的问题:当太阳能板照光,将光子转成电子后,电子在传送过程损失很大,硅的表面通常是让电子损失的主要途径,虽然黑硅可以吸收很多光,也能转换成很多电子,但是就是因为黑硅表面细小的奈米结构让表面积大幅增加,也就让更多的电子损失在表面。位于芬兰的阿尔托大学(Aalto University)及西班牙加泰罗尼亚理工大学(Polytechnic University of Catalonia)共同发现利用原子层沉积(AtomicLayer Deposition, ALD)将氧化铝覆盖在黑硅表面作为钝化层,可以有效抑制电子在表面的损失,将黑硅太阳能电池的效率提高到22.1%,这项研究被发表在《自然奈米科技》 (Nature Nanotechnology) 上。

  黑硅与传统的深蓝色的太阳能电池不同的地方在于,传统硅太阳电池是利用碱液(通常是碱金族的氢氧化物),将硅表面蚀刻出类似金字塔的微米结构;而黑硅是利用反应离子刻蚀(Reactive-Ion Etching, RIE)在表面蚀刻出奈米等级的小结构。利用碱液蚀刻出来的结构尺度较大,抗反射效果比较差,而且蚀刻过程损失的硅也比较多;而利用反应离子刻蚀不仅结构小,损失掉的硅也比较少,抗反射效果也比较好。

  抗反射有两个重点,一是宽波段,二是广角度。太阳光光谱从紫外光、可见光一路到红外光,如果能让这整个波段的反射率都很低,就能有效运用所有光线,如同前面所提到,抗反射的大原则就是表面结构越细越小,反射率就越低、波段越宽,这也是为什么黑硅可以这么"黑"的原因之一,这项研究中的黑硅在可见光的波段反射率都低于1%,可以说几乎所有的光都被吸进去了;抗反射的另一个重点是广角度,因为太阳光不会一直从正上方照下来,从日出到日落,太阳几乎都是有角度的,绝大多数的材料,随着入射角变大,反射率也会急遽上升,造成太阳能电流下降。这项研究中的黑硅电池,在60度入射角时电流只比垂直入射少1%,效率几乎不会受到太阳照射角度影响。主持这项研究的Hele Savin教授表示:“这对身在北欧的我们尤其重要,大部分时间太阳都是用很低的角度入射。”

  他们所发表的这项研究将黑硅太阳能电池的效率从18.2%推升到22.1%,可别小看这3.9%差距,在太阳能电池领域,提升1%都是大新闻了,更何况3.9%。目前黑硅太阳能电池尚未商业化,所以在路上还看不到这种黑黑的太阳能板,参与这项研究的研究员Pablo Ortega表示:“大概再过三四年,我们就可以看到黑硅的太阳能板出现在市场上并运用在工业界了。”

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