太阳能电池技术——最薄纳米吸光材料诞生

　　【编者按】目前全球投入规模化商业应用的光伏电池也不能很好完成20%光电转换率，比如说中国现在主流技术还是集中19%-20%之间，在最新的发展意见当中，则提出20%光电转换研发目标。

　　太阳能电池的光电转换效率指的是太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的人射光的功率之比。与它的结构、结特性、材料性质、电池的工作温度、放射性粒子辐射损坏和环境变化有关。目前硅太阳能电池的理想转换效率的上限值为33%左右;商品单晶硅太阳能电池的转换效率一般为12%-15%，高效单晶硅太阳能电池的转换效率为18%-20%。

　　为了大规模生产人们用得起的太阳能电池，全世界科学家一直致力于开发低成本太阳能电池，同时还要高效率、高产量、易于制造。CIGS在太阳能电池中极具成本效益优势。最近，瑞士材料科技联邦实验室薄膜与光伏实验室的阿约提亚·蒂瓦里研究小组，成功地改进了CICS层的性质，使其能在更低温度下生长，终于使光电转换率提高到20.4%。

　　这一效率值由德国弗劳恩霍夫太阳能系统（ISE）研究所鉴定，甚至超过了玻璃基底的CICS太阳能电池（20.3%），已经相当于多晶硅太阳能电池的最高效率。蒂瓦里说：“我们正在弥补薄膜太阳能电池和硅晶太阳能电池之间的效率鸿沟。”

　　研究人员指出，最早的世界纪录是他们在1999年实现的12.8%，2005年为14.1%，2010年为17.6%，到2011年达到18.7%。迄今为止，他们已将柔性CIGS太阳能电池的光电转化率提高了近一倍。“柔性CICS太阳能电池的这一系列纪录，可以和最好的多晶硅太阳能电池性能相比。”瑞士材料科技联邦实验室主管吉安-卢卡·波纳说。

　　美国科学家制造出了迄今最薄的有效可见光吸光器，这种纳米结构的厚度仅为普通纸的千分之一，最新设备有望降低太阳能电池的成本并提高其光电转化效率。

　　参与该研究的斯坦福大学化学工程学教授斯泰西·本特说：“太阳能电池越薄，需要的材料越少，成本也就越低。我们目前面临的挑战是，在减少太阳能电池厚度的同时不损失其吸收太阳光并将之转化为清洁能源的能力。最新设备做到了这一点非常纤薄的一层材料就几乎可将特定波长的入射光全部吸收。”

　　理想的太阳能电池应该能将可见光光谱上的所有光收纳其中从波长400纳米的紫色光波到波长700纳米的红色光波以及不可见的红外线和紫外线。在最新研究中，科学家们制造出了一些纤薄的圆片，其上布满了5200亿个约14纳米高、17纳米宽的圆形的金纳米点。

　　随后，赫格和同事让这些经过调谐的金纳米点吸收波长为600纳米的橘红色光。赫格解释道：“金属粒子有一个共振频率，可对其调谐让其吸收特定波长的光，我们对新系统的光学属性进行了调谐以便让其吸光率达到最大。”

　　最终得到的结果创造了新纪录。赫格说：“这种有涂层的圆盘对橘红色光的吸收率高达99%；金纳米点本身对光的吸收率也高达93%。每个点的体积约等于1.6纳米厚的一层金的体积，这就使它成为迄今最纤薄的可见光吸收设备，其厚度仅为目前商用薄膜太阳能电池吸光器的千分之一。”

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