表面刻痕可顯著降低太陽能電池成本
2012-07-06
蝕刻圖案能大幅降低太陽能電池硅用量
表面刻痕大大增加了光的吸收量
高純度的硅占據了傳統太陽能電池陣列總成本的40%，因此研究人員長久以來一直在尋找可最大化太陽能電池輸出功率，同時降低硅用量的途徑。現在，麻省理工學院(MIT)的研究團隊找到了一種可降低硅厚度的新途徑，可在保持電池高效的基礎上，最高變薄90%，從而降低薄膜太陽能電池的制造成本。相關研究報告發表在近期出版的《納米快報》雜志上。
該校機械工程系的研究人員稱，這一途徑的秘密在于蝕刻在硅表面的微型倒金字塔圖案。他們使用了兩束重疊的激光束，以便在沉積于硅之上的光刻膠的表面生成特別的微小刻痕。經過幾個中間步驟后，氫氧化鉀可溶解未被光刻膠覆蓋的表面部分，從而在材料表面產生希望獲得的金字塔圖案。這些微小的刻痕，每個都不足百萬分之一米，卻能夠像厚度為自身30倍的固體硅表面一樣有效地捕獲光線。這種可有效提升薄膜太陽能電池效能的新方法有望作用于任意的硅基電池。
科學家表示，如果能夠大幅降低太陽能電池中硅的用量，就能顯著降低電池的生產成本。但問題是，當電池被打造得很薄時，其吸收陽光的能力將隨之降低。不過，新方法卻能克服這一問題。被研究小組稱為“倒轉納米金字塔”的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面積只會增加70%，從而限制了表面復合現象的發生。表面復合是指半導體少數載流子在表面消失的現象。半導體表面具有很強的復合少數載流子的作用，同時也使得半導體表面對外界的因素很敏感，這也是造成半導體器件性能受到表面影響很大的根本原因。
基于新方法獲得的10微米厚晶體硅能夠達到和30倍厚的傳統硅片近似的光吸收量。這不僅能夠減少太陽能電池中昂貴的高純度硅用量，還能減輕電池的重量，并因此節約所需的電池用料，有效降低薄膜太陽能電池的材料成本和安裝成本。此外，新技術所使用的設備和材料也是現有硅芯片處理標準零件，因此無需更新制造設備，從而使制造的難度大幅降低，更加便于實施和操作。
迄今為止，研究團隊只進行了制造新型太陽能電池的第一步，即基于硅片生產了具有圖案的表面，并借助俘獲的光線證實了它的效能提升，下一步則需要增加組件以生產真實的光伏電池，并證明它的能效可與傳統太陽能電池相媲美。現今最佳的商用硅基太陽能電池的轉化效率為24%，而科學家期望新途徑能夠實現約為20%的能量轉換效率，但這仍需進一步的實驗進行檢驗。如果一切順利，新系統可在不遠的未來實現商用化，制造出更經濟的薄膜太陽能電池，而超薄的設計也將使其應用范圍更加廣泛。
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