新型材料超强吸光 带来最有效的薄膜太阳能电池

纳米结构长度决定了什么波长的光会使它产生谐振。新设计的纳米楔形结构，具许多不同的长度，可强烈吸光，末端吸收蓝光，基座吸收红光。

有一种新型纳米结构的材料，可吸收广谱光线，从任何角度都可以吸收，可带来有史以来最有效的薄膜太阳能电池。

研究人员正把这种设计用于半导体材料，以制作太阳能电池，他们希望在材料成本上省钱，同时仍然可以提供很高的功率转换率。用硅进行的初步测试表明，这样的图案可能会使光吸收提高五倍。

传统太阳能电池通常是100微米厚，或者更厚。研究人员正在研究一些方法，制备更薄的太阳能电池，大约数百纳米厚，而不是数百微米厚，但具有相同的性能，这就可以降低制造成本。然而，通常较薄的太阳能电池只能吸收较少的光线，这意味着不能产生同样多的电力。

一些研究人员正求助于奇特的光学效应，这种效应出现于纳米尺度，可以解决这一难题。哈利•阿特沃特（Harry Atwater）是加州理工学院（Caltech）应用物理和材料科学教授，也是这一领域的先驱，现在他提出一种方法，可以在纳米尺度设计这些材料的模式，把它们制成太阳能超强吸收剂。

与阿特沃特合作的科瑞•艾登（Koray Aydin），现在是美国西北大学（Northwestern University）电气工程和计算机科学助理教授，他们开发这种超级吸收剂设计，充分利用了一种现象，称为光学谐振（optical resonance）。正如无线电天线会谐振并吸收特定的无线电波，纳米光学天线可以谐振和吸收可见光和红外光。结构长度决定了什么波长的光会使它产生谐振。所以，阿特沃特和艾登设计的结构很有效，具许多不同的长度：楔形状，具有尖尖的末端和宽宽的基座。这种薄薄的纳米楔形，可强烈吸光，末端吸收蓝光，基座吸收红光。

阿特沃特和艾登展示了这种宽波段效应的260纳米厚的薄膜，这种薄膜的制备采用一层银，掺杂一层薄薄的二氧化硅，最后再用另一层薄薄的银，末端刻有40纳米的楔形阵列。阿特沃特说，他们选择这些材料，因为它们别具有挑战性：在未制成模式的状态，它们都具有高反射率，但制出图案的薄膜可平均吸收70％的光线，遍布整个可见光谱。这项工作已被介绍，就在网络版《自然•通信》（Nature Communications）杂志上。

凯利•卡其珀尔（Kylie Catchpole）是堪培拉（Canberra）澳大利亚国立大学（Australian National University）的研究员，她说，这种设计是有前途的，因为它可以作用于宽波段光谱。这些效应，卡其珀尔说，“通常对波长都非常敏感。”不过，她指出，这种设计必须用于其他材料，以改善太阳能电池。

艾登和阿特沃特现在正在做这件事。这些研究人员已经制成220纳米厚的硅薄膜，吸光量相当于25倍厚的未成形薄膜。

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