斯坦福大学科学家宣布已创造出世界上最薄并且最具效率的光吸收剂。科学家们指出，这一纳米结构的厚度只相当于普通纸张的数千分之一，不仅大幅削减成本，还可提升太阳能电池的转换效率。他们的研究成果已发表在最近一期的杂志《纳米快报》(Nano Letters)(详见注一)上。
斯坦福大学化学工程系教授Stacey Bent(研究小组成员之一)表示：“对于许多应用而言，以最少的材料实现可见光的吸收是可取的。我们的研究成果就已表明一个拥有极其薄层面的材料完全有可能吸收100%特定波长的可见光。”
更薄的太阳能电池不仅耗材较少，而且成本较低。研究人员面临的挑战就是如何在不牺牲转化率的背景下降低电池的厚度。
在这样研究中，斯坦福团队创造出镶嵌了大量黄金颗粒的薄型硅片。每个黄金纳米点高约14纳米，宽约17纳米。
科学家手里的四块硅片配有当前全球最薄光吸收剂
可见光谱
一个理想的太阳能电池能够吸收整个可见光谱，从400纳米紫色光波、700纳米红外线到非可见的紫外线与红外线。在实验中，博士后Carl Hagglund及其同事能够调整黄金纳米从光谱中吸收一种光线，即波长600纳米的橙红色光波。
该研究报告首席作者Hagglund表示：“与吉他弦相似，当你撩拨其中一根弦，共振频率就会改变。金属粒子亦有共振频率，能够被微调来吸收特定波长的光线。我们调整了系统的光学特征，以最大程度的增大光吸收率。”
镶嵌黄金纳米的硅片由日本经营电子电气公司日立(Hitachi)制造，采用了嵌段共聚物平版印刷技术。每个硅片每平方英寸含有约5200亿纳米点。在显微镜下，颗粒的六角形排列非常类似蜂窝的六边形阵列。
Hagglund团队运用原子层沉积工艺在硅片的表面增加了薄膜涂层。Hagglund称：“这是一个非常具有吸引力的技术，因为通过增加涂层可以令颗粒更为均匀，并将薄膜的厚度降低到原子水平。”
“通过使用该工艺，我们可以改变纳米点周围涂层的厚度，从而达到简化调整系统的目的。其实已经有人建立了相似的列阵，只是他们并未将之调整到光吸收的最佳状态——这就是我们研究成功的创新所在。”
创纪录荣耀
毋庸置疑，斯坦福研究团队这一研究成果已创下世界记录。Hagglund表示：“带有涂层的硅片可吸收99%的红橙光线。单就黄金纳米本身而言，也已实现了93%的吸收率。”
每个点厚度与一层黄金相当，只有1.6纳米，是全球最薄的可见光吸收剂，仅为当前薄膜太阳能电池吸收剂厚度的千分之一——足以刷新世界记录。
Hagglund补充道：“原先的记录保持者要求吸收剂层面厚度超过我们的三倍之多才可实现全部的光吸收，而我们通过优化超薄的纳米工程系统，将这一极限往前更推进了一步。”
斯坦福团队下一步就是展示该科技如何被适用于实际太阳能电池之中。
斯坦福能源转换效率纳米结构研究中心(CNEEC)主任Bent表示：“目前我们正在寻求使用可吸收太阳能光线的超薄半导体材料来建造结构。随后我们将对这些原型进行测试，以考察其转换效率。”
在实验中，研究人员采用了三种类型的涂层料：硫化锡、氧化锌和三氧化二铝，位于不同的纳米点列阵之上。
Hagglund表示：“这些涂层并不具有光吸收性。不过，现有理论已经证明如果使用半导体涂层，就将从金属颗粒中吸收转变为从半导体材料中吸收，这样可以创造出更长寿的并充满活力的电荷载流子。”
最终目标
Bent补充道，研究团队的最终目标就是通过最大程度的缩减材料总额开发性能提升的太阳能电池与太阳能燃料。“
她称：“这可以最大程度的减少建造设备的材料。不过，可以预见的是效率将得以提高，因为通过设计，电荷载体产生的地点距离它们‘喜欢’的地方非常近，也就是说临近那些它们聚集起来生产电流或催化化学反应的地点。”
科学家们还在考虑用更为便宜的金属制造这类纳米点列阵。Hagglund称：“我们之所以选择黄金是因为对于我们实验而言它们更具化学稳定性。”
“尽管黄金的成本几乎可以忽略不计，但银的价格似乎更为便宜，而且从光学的角度而言，使用银材料似乎可以制造更佳的太阳能电池。我们的设备厚度已大幅削减，基于此，我们最终将制造出厚度大幅下降的太阳能电池。”
该项目研究团队成员还包含工程教授Mark Brongersma、斯坦福大学前博士后学者sabell Thomann与Han-Bo-Ram Lee、以及来自总部驻加州圣何塞市日立环球储存科技公司(Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST)的Gabriel Zeltzer与Ricardo Ruiz。
编辑注一：《纳米快报》(Nano Letters)是美国化学会旗下国际纳米科学技术领域的权威刊物，主要刊登在纳米科学技术方面具有原创性的高水平学术论文。
扫一扫关注微信
