自清洁、低反射率表面提高2%的电池效率

美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)正在开发一项工艺，极有可能将晶体硅（c-Si）太阳能电池的转换效率提高2%之多。

该学院的研究员采用了两种不同类型的化学刻蚀方法制作出微米级和纳米级的表面特征，增加了光吸收率，减少了反射，使电池表面保持清洁。

通过三维结构捕获日光，以及制作出自清洁的表面――允许雨水或露珠洗去堆积在电池阵列里的灰尘和污垢，这些表面处理增加了光吸收率。由于水珠可在上面自由滚动并滑落，这种表面的特性也被定义为超疏水性。

“更多的太阳光进入光伏电池，而很少被反射回去，可达到更高的效率，” 佐治亚理工学院材料科学和工程董事教授C.P. Wong说，“仿真的结果显示，通过这种表面结构我们有能力将电池的最终效率提升2%。”

在美国国家自然基金和佐治亚理工学院国家电力测试研究和应用中心的支持下，该研究报告于3月24号在盐湖城举行的2009春季美国化学协会全国会议上。

硅刻蚀处理模拟莲叶的超疏水表面，采用两种不同尺度的表面粗糙度来达到高的接触角度，以便使雨水或露滴滑下并滚落。其间，水珠将带走灰尘或污垢。

研究员们利用氢氧化钾（KOH）溶液沿着多晶硅平面刻蚀硅，在其表面制作出微米级的金字塔结构。然后采用电子束工艺将纳米级的金颗粒涂布在金字塔结构上。再利用氟化氢（HF）和双氧水（H2O2）溶液，金作为催化剂，进行金属辅助刻蚀工艺制作出可控的纳米级形貌。特征尺寸由金颗粒的直径和硅暴露在刻蚀状态下的时间长短决定。然后通过碘化钾（KI）溶液去除金，表面被覆盖上一层碳氟化物材料，全氟辛烷磺酸（PFOS）。

 图：采用HF/H2O2/水的溶液刻蚀1分钟，制作出的硅金字塔结构。形成的结构具有微米和纳米级的粗糙度。（来源：Georgia Institute of Technology）

绒性表面和自清洁能力的结合使用，大大增加了对光的吸收能力。“通常的硅表面反射许多入射的光线，但是通过制备的绒面，反射将被减少至不到5%，”佐治亚理工学院的一位化学和生物分子学工程教授Dennis Hess表示。“因为表面灰尘和污渍，照射在电池表面的光线的10%被散射了。如果保持电池的清洁，理论上将提高效率。即使仅仅提高几个百分点，那么结果也会有很大的不同。”

即使在沙漠地区，连续的阳光提供光伏电池理想的环境，夜晚的露珠还是有足够的湿汽使电池保持清洁，Wong表示。

然而，在潜在的商业化可行前，仍存在一些技术挑战。纳米级结构固有的脆性，其易于被破坏和摧毁。

“因为这些结构如此小，以致于相当脆弱易碎，”Hess指出，“表面的机械磨损会破坏其超疏水性的特征。我们已经努力找到方法，来制作大面积的超疏水性表面，这样，少量的破坏不会对整个表面产生影响。”

大面积表面的成本评估尚未实施，但Hess表示，额外的刻蚀和真空沉积步骤不应当再引入到本来已经很复杂的硅太阳能电池的制造工艺中了。