神奇光技巧讓超薄太陽能板能量狂飆 10000 倍

研究人員開發了一種光與物質相互作用的新方法，爲生產超薄硅太陽能電池鋪平了道路。

加利福尼亞大學歐文分校（UC Irvine）團隊的此項研究是基於此前有關通過改變純硅與光的相互作用，將其從間接帶隙半導體轉變爲直接帶隙半導體的相關工作。

他們通過捕獲光子改變了光與硅的相互作用，使吸收增強了 10000 倍，並且在材料化學性質不變的情況下提高了器件性能。

該團隊強調，這一發現或許有助於將能量轉換技術拓展到廣泛的用途，比如車載、設備充電以及熱電服裝等方面。

在新的研究中，研究人員使用了一種新方法，涉及的是改變光而非材料。

他們把光子困在硅附近極小的凸起處，賦予光新的特性，從而增強了它與材料的相互作用。通過修改硅的表面，他們極大地提高了光的吸收量，並顯著提高了器件的性能。

光子缺乏在像硅這樣的半導體中觸發間接光學躍遷所需的動量，這意味着它們依靠晶格聲子來保持動量。這一特性使得在許多光電應用中，硅不如直接帶隙半導體受歡迎。

作爲一種間接帶隙半導體，硅有限的光學性能阻礙了太陽能轉換及光電子學的發展。

“光子攜帶能量但幾乎沒有動量，不過，如果我們改變教科書中所解釋的這種說法，並通過某種方式賦予光子動量，我們便能在無需額外粒子的情況下激發電子，”加州大學歐文分校的化學教授、該研究的合著者埃裡克·波特瑪在一份聲明中說。

這將相互作用簡化爲僅有兩個粒子：一個光子和一個電子，這類似於在直接帶隙半導體中發生的情形。這種方法使光吸收提高了 10,000 倍，從根本上改變了光與物質的相互作用，且未改變材料的化學性質。

這種新現象從根本上改變了光和物質之間的相互作用。

據研究人員所說，傳統上，教科書所描述的是垂直光學躍遷，也就是一種材料吸收光，致使光子只改變電子的能量狀態。

然而，動量增強的光子能夠改變電子的能量和動量狀態，揭示出了以前未曾考慮到的新躍遷途徑。

打個比方講，我們能夠‘傾斜教科書’，因爲這些光子能夠達成對角線躍遷。這對材料吸收或發射光的能力產生了極大影響，”加州大學歐文分校傑出的名譽化學教授、該研究的合著者阿拉·阿普卡里安（Ara Apkarian）說道。

研究人員着重指出，這一發展帶來了一個契機，能夠藉助亞 1.5 納米級半導體制造技術的最新成果，這或許會給光傳感和光能轉換技術帶來重大影響。

由於氣候變化的影響愈發嚴重，從化石燃料向可再生能源的轉變愈發緊迫。太陽能在這一轉變過程中起着關鍵作用，不過當下的商用太陽能電池還存在不足。

硅吸收光的能力比較有限，需要厚厚的一層——差不多 200 微米的純晶體材料——才能夠有效地捕獲陽光。這不但提高了生產成本，而且因爲電荷載流子複合增多而降低了效率。

據研究人員稱，這項研究讓薄膜太陽能電池變得更可行，其被廣泛認爲是解決這些問題的一種方案。

該團隊的研究細節在《ACS Nano》雜誌上發表。