他們在納米尺度上研究如何“管理光”，設(shè)計更巧妙的架構(gòu)，能使光伏電池的效率有一個質(zhì)的飛躍?！堵槭±砉た萍紕?chuàng)業(yè)》雜志將這項技術(shù)列為“2013十項突破性技術(shù)”之一。
更有效地“管理光”
太陽能產(chǎn)生電力，是因為來自太陽的光子撞擊電池內(nèi)的半導(dǎo)體材料，光子的能量敲松材料中的電子，使電子自由流動。
傳統(tǒng)的太陽能電池通常是100微米厚，或者更厚，由單一的半導(dǎo)體材料組成，通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太陽光譜，通常也只能轉(zhuǎn)換不到20%的能量為電能，絕大部分陽光的能量都以熱能形式散失了。自1961年以來，科學(xué)家已經(jīng)知道，在理想條件下，陽光照射到單個p-n結(jié)晶體太陽能電池上，產(chǎn)生的電能數(shù)量有一個限度。這個絕對限度，從理論上說大約是33.5%。這意味著，最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收，并轉(zhuǎn)換成有用的電能。目前，Sunpower公司最好的單個p-n結(jié)晶體硅電池效率為24%，阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司阿爾塔設(shè)備（AltaDevices）的砷化鎵太陽能電池最高的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到27.6%。如果將半導(dǎo)體材料堆疊起來能使轉(zhuǎn)化效率大幅提高。無限p-n結(jié)晶體太陽能電池在聚光下的理論效率極限是86%?，F(xiàn)實中，SolarJunction公司的三節(jié)電池在947倍聚光下的光電轉(zhuǎn)化效率為44%。但串聯(lián)意味著在生產(chǎn)電池時，大量人力物力財力消耗在元件的疊加和制作緩沖層上，也意味著電池沒法做得很薄。
為了降低成本，也因為用途更加廣泛，研究人員一直在尋求制備更薄的太陽能電池的辦法。“薄膜電池”能與建筑完美結(jié)合，也更容易集成在日常用品里，如背包、帳篷、救生衣，甚至電子產(chǎn)品里。然而，較薄的太陽能電池只能吸收較少的光線，意味著不能產(chǎn)生同樣多的電力。阿特沃特和他的同事們想到了一個解決方案。
他們求助于一種奇特的光學(xué)效應(yīng)，稱為光學(xué)諧振（opticalresonance）。
正如無線電天線會諧振并吸收特定的無線電波，納米光學(xué)天線也可以諧振并吸收特定波長的光。
他們利用這種效應(yīng)設(shè)計了一種薄薄的納米楔形結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)吸光能力很強，能吸收70%的廣譜光線。它像一個棱鏡，將太陽光分解成6-8個不同波長的部分，每一束光顏色各不相同，但每一束光都能被不同的半導(dǎo)體面板吸收。
他們利用這個理念設(shè)計出三種結(jié)構(gòu)，上述這一種已經(jīng)做出原型。太陽光經(jīng)由一塊金屬板反射并從一個獨特的角度進入這個特殊結(jié)構(gòu)。它由一種透明絕緣材料制成。材料表面的涂層是多個薄膜太陽能電池，由6-8種不同的半導(dǎo)體材料組成。一旦光進入材料，它會遇到一系列很薄的光學(xué)過濾器。
每一個過濾器只會讓特定顏色的光通過，被特定的電池吸收，剩下的依次過濾，依次吸收。
另兩種盡管設(shè)計不同，基本的思想是一致的：那就是將傳統(tǒng)的電池和光學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，更有效地利用更廣的光譜，減少能源浪費。
引入光學(xué)元件的未來光伏電池
阿特沃特說，目前還不清楚哪一種設(shè)計最好，他們設(shè)想中的這種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率至少能達(dá)到50%，且利用光學(xué)元件把光聚攏，會減少半導(dǎo)體元件的使用，降低成本。但生產(chǎn)這種太陽能電池需要復(fù)雜、精確的工藝，他自己也認(rèn)為，所增加的加工成本，可以和汽車LED燈相提并論。
去年底，他的課題組獲得了來自美國能源部先進能源計劃署（ARPA-E）的240萬美元科研經(jīng)費，用以開發(fā)超高光伏轉(zhuǎn)化效率（50%-70%）的太陽能光伏系統(tǒng)。
《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》分析，通過設(shè)計提高光電轉(zhuǎn)換效率是降低成本的最好途徑。在過去幾年里，太陽能電池板的價格直線下降，電池板的價格對降低整個系統(tǒng)的成本已經(jīng)沒有太大意義，太陽能系統(tǒng)的相關(guān)費用比如布線、土地、許可等費用現(xiàn)在反而是大頭。提高每一個太陽能電池的效率意味著只需要比原來少的面板就能生產(chǎn)相同的電，硬件和安裝成本即可大大降低。
太陽能產(chǎn)業(yè)目前進入了整合期，給新技術(shù)的更新?lián)Q代創(chuàng)造了機遇。硅谷大佬們熱衷的事業(yè)，電動汽車，民用航天器，五花八門的消費電子設(shè)備都對太陽能技術(shù)給予厚望。
經(jīng)歷了硅基電池、薄膜電池，新一代的太陽能技術(shù)，核心是聚光?，F(xiàn)在已經(jīng)商用的一種聚光技術(shù)電池，和阿特沃特的思路類似，通過采用跟蹤太陽、聚光的技術(shù)，用鏡子、反射鏡或者透射鏡把光聚攏起來，聚到某一塊光電池上面，使發(fā)電量增加。這樣可以用成本比較低廉的光學(xué)聚光元件，取代和減少使用成本更為昂貴的半導(dǎo)體材料。目前，效率最高的是砷化鎵光電池。一家面向聚光光伏市場開發(fā)高效率多接面太陽能電池的硅谷公司SolarJunction與全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體晶圓供應(yīng)商IQE正在與歐洲航天局協(xié)商開發(fā)基于這種技術(shù)的下一代衛(wèi)星太陽能電池。
阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司“阿爾塔設(shè)備”也是一家硅谷太陽能公司，一直在致力于提高電池板的光電轉(zhuǎn)化效率，即便上述新技術(shù)商業(yè)化還有距離，他們也擁有全球能效最高、最薄且柔性最佳的砷化鎵薄膜太陽能電池技術(shù)。因為這種太陽能薄膜可以無縫融入任何最終的電子產(chǎn)品，受到無人機、消費電子產(chǎn)品、汽車、遙勘等領(lǐng)域的青睞。目前，美軍已經(jīng)采用了阿爾塔設(shè)備公司的太陽能電池，這是世界上最輕且效率最高的，小巧的兩張A4紙大小的電池板可以產(chǎn)生10瓦電力。
蘋果也設(shè)想過柔性太陽能薄膜電池在移動設(shè)備上的應(yīng)用。今年初，媒體報道蘋果公司注冊了一項太陽能多點觸摸面板技術(shù)的專利，這種屏幕技術(shù)繼承了太陽能電池面板、多點觸摸傳感器以及光線傳感器，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并通過手機內(nèi)部的能源管理單元把產(chǎn)生的電能儲存進電池，從而為移動設(shè)備提供更長的續(xù)航時間。
不過以目前的光電轉(zhuǎn)化效率，依賴太陽能為手機充電效率太低，法國一家公司W(wǎng)ysips在2013年初推出的薄膜充電產(chǎn)品，光照10分鐘只能接聽2分鐘電話。
