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标题: 用硅纳米线捕捉阳光 [打印本页]

作者: zfw 时间: 2010-10-21 08:19
标题: 用硅纳米线捕捉阳光
现今，硅太阳能电池在可再生能源中日趋扮演核心角色，发展前景十分广阔。尽管硅基光伏器件可将太阳能以20%效率转化为电能，但其成本仍是大规模应用的障碍。劳伦斯伯克力国家实验室 (LBNL) 的研究人员正在研发一种更好的捕捉阳光的方法—使用纳米线大幅降低成本。

光电池通过纳米线捕捉光子可以极大地降低太阳能电池的生产成本。（来源：加州大学伯克力分校）

通过垂直硅纳米线的有序阵列制造的薄膜，研究者已经能够使其太阳能电池的光捕捉因子增加73。作为研究小组带头人，化学家杨培东说：“因为这种非凡的光捕捉能力提高背后的制造技术是非常简单的一个可量化的水溶性化学过程，我们相信这种方法是制造高效且低成本薄膜太阳能电池的一种有效且经济的方式。杨培东在伯克力实验室材料科学部门和加州大学伯克力化学系任职，他还是半导体纳米线方面的重要权威。

通常的太阳能电池是通过昂贵的超纯单晶硅晶片制成，该晶片的厚度需达到约100µm，并通过其吸收大多数太阳能。杨培东所领导的小组所采用的放射形状需要仅约8µm的硅薄膜制成的纳米线阵列即可有效地捕捉光。“我们的方法基本上可以使用冶金级或“脏的”硅，而不是现在所要求的超纯硅晶，这样可以极大地削减成本。”

所有的太阳能电池都是由两个独立的材料层构成，其中的一个材料层富含电子作为负极，另一个材料层富含电子空穴（带正电能量空间）作为正极。当吸收光子时，其能量被用于生成电子空穴对，随后分布在两个材料层之间的界面，并被作为电进行收集。硅是首选的光伏半导体，主要是因为其优越的光电性能，但不断增长的需求使其原材料价格上涨。同时，由于所要求的晶纯度较高，即使是最简单的硅基太阳能电池的制造也很复杂。

通过纳米结构的放射状p-n 结的垂直阵列，而非传统的平面p-n 结，杨培东及其小组可以降低对硅的数量和质量要求。在放射状p-n 结当中，n型硅层在p型硅纳米线核周围形成一层壳。从而使光激发电子和空穴到达电极的距离更短，消除了一般硅太阳能电池中经常出现的电荷载体瓶颈。光电流和光传输显示该放射状阵列同时极大地提高了光捕捉。因为阵列中的每个单独纳米线均有一个p-n 结，并充当一个独立的太阳能电池。通过调节阵列中的纳米线长度，也可能增加其光捕捉路径的长度。

“我们已经从事以纳米线为基础的光伏研究五年了，”杨培东说：“所获得的进展就是技术正从以薄膜为基础的光伏过渡到垂直阵列的p-n 结。使用硅，会产生少部分扩散瓶颈问题。特别是当材料不够纯的情况下，扩散会更严重。这可以通过核壳结构避免，光吸收可沿着Y轴进行，但由于核壳的几何形状，电荷分离会以水平方向进行。这就是我们所称的直角光吸收和电荷分离。通过这种设计可以使较低级别的硅。这也是我们主要的出发点。

杨培东及其同事通过制造p-n 结的方式对这些高密度纳米线阵列进行研究，并对其能量转换率进行测试。捕捉现象是一项附带的发现。“我们发现当纳米线阵列密度相当高时——在这种情况下，该范围约有50％布满了纳米线——它们使基片获得了光捕捉效果。这意味着所进入的大多数光在阵列中实现重复吸收过程，”他说：“因此，即使电池本身只有几微米厚，由于高密度纳米线阵列中的捕捉现象，光吸收至少提高了一个数量级。光程增加因数的范围在5至70之间。”

虽然这些太阳纳米线的转换率仅约5-6％，只需简单对表面进行钝化，减反射和其它增加效率的变更，即可达到该效率，杨培东说。研究者认为，通过进一步改进，最重要的是表面钝化，就有可能使效率超过10％。

杨培东很快指出，他们所获得的效率无法与c-Si 光伏相比。“效率是很难实现的因子，”他说。“但是，如果我们对绝对效率进行比较，我们的8µm厚的电池的绝对效率是8µm厚的薄膜光伏电池的20倍。需要考虑的另外一个重要因子是我们的8µm纳米线阵列所使用的硅仅为较高效率所使用硅的一半。”考虑到10％或更好的转换率及在幅降低的起始硅原料数量，以及使用冶金级硅的能力，使硅纳米线的使用成为大规模生产的一个非常具有吸引力的选择。

根据吸收体的设计方式，光捕捉效果可以非常明显。通过使用该光捕捉方法，一个光学透镜可以被提高一个数量级。光捕捉现象——或光吸收的增强——可被设计到目前光伏制造方案中，并不一定使用伯克力小组的几何结构。

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