中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：斯坦福大學(xué)科學(xué)家宣布已創(chuàng)造出世界上最薄并且最具效率的光吸收劑。科學(xué)家們指出，這一納米結(jié)構(gòu)的厚度只相當(dāng)于普通紙張的數(shù)千分之一，不僅大幅削減成本，還可提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。他們的研究成果已發(fā)表在最近一期的雜志《納米快報(bào)》（Nano Letters）（詳見注一）上。
斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授Stacey Bent（研究小組成員之一）表示：“對于許多應(yīng)用而言，以最少的材料實(shí)現(xiàn)可見光的吸收是可取的。我們的研究成果就已表明一個(gè)擁有極其薄層面的材料完全有可能吸收100%特定波長的可見光。”
更薄的太陽能電池不僅耗材較少，而且成本較低。研究人員面臨的挑戰(zhàn)就是如何在不犧牲轉(zhuǎn)化率的背景下降低電池的厚度。
在這樣研究中，斯坦福團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出鑲嵌了大量黃金顆粒的薄型硅片。每個(gè)黃金納米點(diǎn)高約14納米，寬約17納米。
科學(xué)家手里的四塊硅片配有當(dāng)前全球最薄光吸收劑
可見光譜
一個(gè)理想的太陽能電池能夠吸收整個(gè)可見光譜，從400納米紫色光波、700納米紅外線到非可見的紫外線與紅外線。在實(shí)驗(yàn)中，博士后Carl Hagglund及其同事能夠調(diào)整黃金納米從光譜中吸收一種光線，即波長600納米的橙紅色光波。
該研究報(bào)告首席作者Hagglund表示：“與吉他弦相似，當(dāng)你撩撥其中一根弦，共振頻率就會(huì)改變。金屬粒子亦有共振頻率，能夠被微調(diào)來吸收特定波長的光線。我們調(diào)整了系統(tǒng)的光學(xué)特征，以最大程度的增大光吸收率。”
鑲嵌黃金納米的硅片由日本經(jīng)營電子電氣公司日立（Hitachi）制造，采用了嵌段共聚物平版印刷技術(shù)。每個(gè)硅片每平方英寸含有約5200億納米點(diǎn)。在顯微鏡下，顆粒的六角形排列非常類似蜂窩的六邊形陣列。
Hagglund團(tuán)隊(duì)運(yùn)用原子層沉積工藝在硅片的表面增加了薄膜涂層。Hagglund稱：“這是一個(gè)非常具有吸引力的技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^增加涂層可以令顆粒更為均勻，并將薄膜的厚度降低到原子水平。”
“通過使用該工藝，我們可以改變納米點(diǎn)周圍涂層的厚度，從而達(dá)到簡化調(diào)整系統(tǒng)的目的。其實(shí)已經(jīng)有人建立了相似的列陣，只是他們并未將之調(diào)整到光吸收的最佳狀態(tài)——這就是我們研究成功的創(chuàng)新所在。”
創(chuàng)紀(jì)錄榮耀
毋庸置疑，斯坦福研究團(tuán)隊(duì)這一研究成果已創(chuàng)下世界記錄。Hagglund表示：“帶有涂層的硅片可吸收99%的紅橙光線。單就黃金納米本身而言，也已實(shí)現(xiàn)了93%的吸收率。”
每個(gè)點(diǎn)厚度與一層黃金相當(dāng)，只有1.6納米，是全球最薄的可見光吸收劑，僅為當(dāng)前薄膜太陽能電池吸收劑厚度的千分之一——足以刷新世界記錄。
Hagglund補(bǔ)充道：“原先的記錄保持者要求吸收劑層面厚度超過我們的三倍之多才可實(shí)現(xiàn)全部的光吸收，而我們通過優(yōu)化超薄的納米工程系統(tǒng)，將這一極限往前更推進(jìn)了一步。”
斯坦福團(tuán)隊(duì)下一步就是展示該科技如何被適用于實(shí)際太陽能電池之中。
斯坦福能源轉(zhuǎn)換效率納米結(jié)構(gòu)研究中心（CNEEC）主任Bent表示：“目前我們正在尋求使用可吸收太陽能光線的超薄半導(dǎo)體材料來建造結(jié)構(gòu)。隨后我們將對這些原型進(jìn)行測試，以考察其轉(zhuǎn)換效率。”
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用了三種類型的涂層料：硫化錫、氧化鋅和三氧化二鋁，位于不同的納米點(diǎn)列陣之上。
Hagglund表示：“這些涂層并不具有光吸收性。不過，現(xiàn)有理論已經(jīng)證明如果使用半導(dǎo)體涂層，就將從金屬顆粒中吸收轉(zhuǎn)變?yōu)閺陌雽?dǎo)體材料中吸收，這樣可以創(chuàng)造出更長壽的并充滿活力的電荷載流子。”
最終目標(biāo)
Bent補(bǔ)充道，研究團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)就是通過最大程度的縮減材料總額開發(fā)性能提升的太陽能電池與太陽能燃料。“
她稱：“這可以最大程度的減少建造設(shè)備的材料。不過，可以預(yù)見的是效率將得以提高，因?yàn)橥ㄟ^設(shè)計(jì)，電荷載體產(chǎn)生的地點(diǎn)距離它們‘喜歡’的地方非常近，也就是說臨近那些它們聚集起來生產(chǎn)電流或催化化學(xué)反應(yīng)的地點(diǎn)。”
科學(xué)家們還在考慮用更為便宜的金屬制造這類納米點(diǎn)列陣。Hagglund稱：“我們之所以選擇黃金是因?yàn)閷τ谖覀儗?shí)驗(yàn)而言它們更具化學(xué)穩(wěn)定性。”
“盡管黃金的成本幾乎可以忽略不計(jì)，但銀的價(jià)格似乎更為便宜，而且從光學(xué)的角度而言，使用銀材料似乎可以制造更佳的太陽能電池。我們的設(shè)備厚度已大幅削減，基于此，我們最終將制造出厚度大幅下降的太陽能電池。”
該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)成員還包含工程教授Mark Brongersma、斯坦福大學(xué)前博士后學(xué)者sabell Thomann與Han-Bo-Ram Lee、以及來自總部駐加州圣何塞市日立環(huán)球儲(chǔ)存科技公司（Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST）的Gabriel Zeltzer與Ricardo Ruiz。（譯者：Krystal）
