美研发出首款光学晶体薄膜太阳能电池模型

在美国材料学研究协会最近举行的年会上，麻省工学院开麦林教授展示了最新研制成功的新型太阳能电池模型，新模型对原有的薄膜太阳能电池进行了结构上的改进，使得电池所吸收的太阳光能够停留更长时间，因而大大提高了太阳能转化成电能的效率。

薄膜太阳能电池应用潜力巨大

最早使用的太阳能电池是太阳能光伏电池，可追溯到1954年，当时是由贝尔实验室发明出来，当时研发的动机是希望能给偏远地区供电系统的提供能源，那时太阳能电池的效率只有6%。接着，从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，一直到 1969年美国宇航员登陆月球，太阳能光伏电池的应用可说是得到了充分发挥。全球94%的太阳能光伏电池均采用硅晶制造。

自上世纪80年代以来，太阳能电池相关研究人员开始研究以薄膜取代硅晶制造太阳能电池的技术，并取得巨大进展。由于薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，具有柔软便携、耐用、光电转换效率高等特点，因此人们对它的实用化期待很高，可广泛应用于电子消费品、远程监控/通讯、军事、野外/室内供电等领域。专家认为，未来5年内薄膜太阳能电池将大幅降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。

由于传统的太阳能电池厚度接近200微米，需要更多的材料，而薄膜太阳能电池厚度只有几个微米，因而在价格上具有更大的竞争优势。但是目前的薄膜太阳能电池转化效率较低，主要原因是红外线等太阳光都是光子物质，在薄膜内停留时间不够长，不足以被更多地吸收。因此这成为科学家们攻克的难点。

光栅结构设计提高效能15%

开麦林教授研制的薄膜太阳能电池只有5个微米厚，他们的设计原理是，在新电池的背面镀上反射效率极高的物质，而在正面涂上一层没有反射功能的涂层，这样电池就能吸收更多的红色光线及红外线，并将这些光线转换成电能。通过如此改造设计的薄膜太阳能电池比目前商用薄膜太阳能电池的效率提高了15%。开麦林教授表示，通过计算机模拟实验表明，这种新型电池的转化效率还有35%的提高空间。

现在常见的薄膜太阳能电池背面都镀有一层金属，通常是铝金属，但金属表面每次反射会损失大约30%的太阳光。而麻省工学院的研究人员没有使用金属表面，而是在硅基层上刻着凹槽和凸起，使表面形成光栅，然后在表面镀上一层具有光子特性的晶体，即由硅和二氧化硅交替组成的多层结构。

这种光学晶体结构反射太阳光后，光栅接收到这些反射光并以更低的角度将这些反射光重新反射回硅基层内，反射光并没有损失，而是重新被反射回来，延长了光在电池内的停留时间，电池也就能吸收更多的太阳能，将更多的太阳能转化成电能。研究人员正在继续优化光学晶体和光栅结构，希望进一步提高这款薄膜太阳能电池的转化效率。

技术难题和竞争对手

这款新型光学薄膜太阳能电池目前还无法投入实际运用。主要障碍在于，研究人员目前使用的光栅雕刻技术是干涉微影技术，这种技术成本很高。另外，反射面的交替层也需要一个个手工镀上去，非常消耗时间和人力，现在研究人员需要研制新的技术，以便能够更大规模地和以更低的价格生产这种应用潜力巨大的新型太阳能电池。开麦林教授目前正在考虑用纳米影印术取代干涉微影技术。

开麦林教授的研究得到了业内肯定，但也遇到一些竞争对手。美国一家公司为了提高薄膜太阳能电池的吸光效率，将硅基层表面镀上纳米级凹凸不平的粗糙结构，这样的电池除了能够吸收红外线外，还能吸收所有的可见光，但光能转化效率的潜能目前还没有得到证明。

另外，美国埃姆斯实验室也在研制光学晶体的薄膜太阳能电池，只不过是非晶硅的，他们用铟锡氧化物层取代硅基层，并在铟锡氧化物层内刻有许多极小的硅柱组成的矩阵。但是他们的太阳能电池最多只能将转化效率提高15%，唯一的优势在于电池只有 0.5个微米，因而耗材更少，价格更便宜。

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