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美研制出增强薄膜太阳能电池吸光技术
材料来源:科技日报           录入时间:2012-1-16 11:18:17

据英国《自然》杂志网站近日报道,尽管薄膜太阳能电池应用广泛,但其也有“先天不足”:薄膜越薄,制造成本越低,但当其变得更薄时,会失去捕光能力。美国科学家表示,当薄层厚度等于或小于可见光的波长时,其捕光能力会变得很强。科学家们可据此研制出厚度仅为现在商用薄膜太阳能电池厚度的1%、但捕光能力却大有改善的薄膜太阳能电池。

    科学家们用射线—光极值这一理论最大捕光值来标识一种材料最多能捕获多少光线,但是,只有当材料具有一定的厚度时,才能达到这一峰值。目前,科学家们已经制造出了吸光层的厚度仅为0.1纳米的薄膜太阳能电池,但这样纤细的薄膜会漏掉很多光。

    然而,现在,加州理工学院应用物理和材料科学教授哈里·阿特沃特和同事在最新一期《纳米快报》杂志上指出,他们找到了一种巧妙的方法,使薄层能帮助太阳能电池超越射线—光极值。他们发现,当薄层的厚度小于可见光的波长(400到700纳米)时,薄层会同这些可见光的波特性相互作用而不是将可见光看成一条直直的射线。阿特沃特说:“当我们制造出的薄层厚度等于或小于可见光的波长时,一切规则都改变了。”这样,一种材料的吸光能力不再取决于厚度,而取决于光线和吸收材料之间的波作用。

    通过计算和计算机模拟,阿特沃特团队证明,让一种材料对光更有“胃口”的技巧在于,制造出更多“光态”让光来占领,这些“光态”就像狭缝一样,能吸收特定波长的光。一种材料的“光态”数量部分取决于该材料的折射率,折射率越高,其能支持的“光态”就越多。

    其实,早在2010年,斯坦福大学的教授范汕洄(音译)和同事就将“光态”数确定为一种材料能吸入多少光线的主要因素。他们用一种折射率较高的材料将一种折射率低的材料包围,结果发现,高折射率材料的出现能有效提高低折射率材料的折射率,增强其捕光能力。

    阿特沃特团队对上述结论进行了延伸,最新研究表明,薄膜吸光器内挤满 “光态”会大大增强其捕光能力。而且,可通过几种方式(比如,用金属或晶体结构包住吸光层或将吸光器嵌入一个更复杂的三维阵列中)来提高吸收器的有效折射率。范汕洄表示:“最新研究表明,我们可以采用多种不同的方法有效地突破射线—光极值。”

    美国托莱多大学的罗伯特·柯林斯表示,阿特沃特团队的研究是“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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