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光捕捉技術助太陽電池成功瘦身

美國科學家最近利用光學天線(optical antenna)的構想,研發出一種新的光捕捉(light-trapping)技術,可以大幅提升光伏材料的吸光效率,讓太陽電池變得更薄、更便宜。

圖片來源:nanotechweb.org

領導北卡羅萊那大學(North Carolina State University)研究團隊的 Linyou Cao 表示,該技術讓他們的太陽電池吸光層僅需厚度 70 nm 的非晶矽結構,就能吸收高達 90% 的入射光,相形之下,傳統作法需使用厚度超過 300 nm 的非晶矽才能達成同樣效果。

陽光是取之不盡的環保再生能源,雖然近年來太陽電池技術已經取得大幅進步,但造價低廉又具高轉換效率的太陽能轉換元件仍未現曙光。一般而言,光吸收材料層較厚有助於將更多光子轉換產生電子與電洞,但如果吸光層過厚,這些光激發載子會在形成有效電流前復合。使用高純度材料(如單晶矽)作為光吸收層可有效解決這個問題,但其昂貴的價格往往讓製造商卻步。最近,利用光捕捉技術搭配較薄的一般光伏材料來提高光吸收效率,成為另一種選項。

研究人員以非晶矽作為光吸收層,兩側以氧化鋅(ZnO)和氮化矽(Si3N4)等不吸光的介電層包夾。這種三明治奈米結構的功能如同光學天線,可聚集矽層中的光子,並透過電漿子模態來提升周圍分子發出的光與天線之間的耦合。

Cao 等人表示三明治結構之所以能吸收更多的光,主要歸功於半導體的漏模共振(leaky mode resonance, LMR)及介電層的抗反射特性。反射光量減少代表能有更多光子可供使用,整體的光吸收效率因而提高。研究人員優化介電層的厚度以提升至最佳抗反射性質,此外,為了維持半導體固有的漏模共振,研究人員使非晶矽在此半導體與介電層組成的殼-核結構中,尺寸比率大於 0.5。

Cao 表示,雖然此實驗以非晶矽為研究對象,但該技術也可應用於其他光吸收材料,如碲化鎘(CdTe)、銅銦硒化物(CIGS)等半導體和有機材料上。此外,這項技術還相容於現行的太陽電池製程,如沉積薄膜與微影製程等。該團隊包含柏克萊大學以及勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究夥伴,他們目前持續致力於此太陽電池的最佳化。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl301435r。

譯者:謝德霖(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Light-trapping technique helps solar cells thin down—nanotechweb.org [2012-07-06]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-08-23]

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