研究發(fā)現(xiàn)納米微粒有助于太陽能電池捕捉光

　　美國工程師最近發(fā)現(xiàn)，金屬納米顆粒可以大幅提升某些類型太陽電池的性能。加州大學(xué)圣地亞哥分校的Ed Yu等人表示，將金納米顆粒沉積在磷化銦磷砷化鎵(InPGaAsP)量子阱結(jié)構(gòu)的太陽能電池上，可將功率轉(zhuǎn)換效率提升17%，克服了這類組件中光子吸收率及光生電荷載子(photogenerated charge carriers)收集率無法兼顧的問題。

　　制作高效率光伏(photovoltaic)組件的主要障礙之一，是材料本身的損耗會(huì)降低太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率，其中功率轉(zhuǎn)換效率的定義為落在材料上的太陽輻射量除以電池的輸出功率，因此選擇正確的材料是獲得高效率的關(guān)鍵。為了達(dá)到高效率，研究人員必須使用高光子吸收率的材料，這意味著含有量子阱的層狀結(jié)構(gòu)厚度必須不低于1 μm，然而厚度一旦超過0.3 μm，又會(huì)犧牲掉電荷載子收集率。加大團(tuán)體成功的關(guān)鍵便在于找到化解上述矛盾的方法。

　　Yu指出，位于磷化銦基板上的量子阱區(qū)受到低折射率材料上下包夾，形成平板波導(dǎo)(slab waveguide)，光子會(huì)在波導(dǎo)內(nèi)平行電池表面?zhèn)鬟f，由于經(jīng)過的光徑較長，因此有很高的機(jī)率被吸收。這個(gè)作法對于較薄的多層量子阱層也管用，而多層量子阱系統(tǒng)可提供較高的光生電荷載子萃取率。此外，他們在太陽電池表面沉積金屬或介電質(zhì)納米微粒，將光散射至垂直波導(dǎo)的方向，通過提高太陽電池收集的光量，進(jìn)而提升電流密度和功率的轉(zhuǎn)換。該團(tuán)隊(duì)表示，這種將光散射入組件內(nèi)部波導(dǎo)模的概念，可以應(yīng)用在薄膜光伏材料及任何無法鍍上抗反射膜的組件。

　　高效率量子阱太陽電池非常合適要求高效率、質(zhì)輕體積小的太空應(yīng)用。相較于已成熟的多接面串迭型太陽能電池(tandem cells)，量子阱太陽能電池和相關(guān)的組件是單接面結(jié)構(gòu)，因此沒有困擾多接面結(jié)構(gòu)的電流匹敵(current-matching)問題，這在應(yīng)用上是一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榻M件承接的太陽輻射量會(huì)隨著位置、時(shí)間和大氣條件而變。該團(tuán)隊(duì)目前正在尋找低折射更率的基板，以進(jìn)一步提升補(bǔ)捉光的效率。