新太陽能：從任何角度「近乎完美」吸收日光

Solar power game-changer: 'Near perfect' absorption of sunlight, from all angles
http://www.physorg.com/news144940463.html

November 03, 2008

不管你從哪個面向來看它，「自太陽獲得能量以提供電力給我們的家庭及企業」這種概念，至今更加引人入勝了。

Rensselaer Polytechnic Institute（RPI）的研究者發現並證明了一種新方法，克服了太陽能所面臨的二大障礙。透過一種新抗反射塗層的開發，提升了陽光被太陽能板捕捉的總量，並且使這些太陽能板幾乎能從任何角度吸收整個太陽光譜，這個研究團隊使學術界與業界更加接近實現高效能、具成本效益的太陽能。

"為了讓太陽能轉換成電流時能獲得最大的效率，你會想要一張幾乎能吸收光線中每個光子的太陽能板，而不用理會太陽在天上的位置，" Shawn-Yu Lin（林尚佑）說，Rensselaer 的物理教授，同時也是該大學 Future Chips Constellation 的成員，他領導這項研究計畫。"我們的新反射塗層使這個成為可能。"

這個一年計畫的結果發表在本週出版的 Optics Letters 上。

一塊未經處理的矽太陽能電池只能吸收照射其上 67.4% 的日光 -- 這表示近乎有 1/3 的日光被反射掉，因而無法收穫。從經濟與效率的觀點來看，這種未收穫的陽光可能被浪費掉了，而且是阻礙太陽能效率增加以及廣泛採用的主要障礙。

然而，當矽表面經 Lin 的新奈米工程反射塗層處理後，該材料能吸收 96.21% 照射其上的陽光 -- 這表示只有 3.79% 的日光會被反射與未收穫。這種在光線吸收上的巨幅增加，在整個太陽光的光譜中前後一致，從 UV 到可見光與紅外光，而且使太陽能朝經濟上可行，跨出了顯著的一步。

Lin 的新塗層也成功對付角度上的棘手挑戰。

絕大部份的表面與塗層都被設計成在某種特定的角度範圍內吸收光線 -- 即抗反射 -- 以及傳送光線 -- 即使光線能通過它。例如，眼鏡的透鏡能夠吸收與傳送正好在它們跟前、來自光源的少量光線，但如果光源在另一邊或在戴眼鏡者的周遭，這些相同的透鏡將會吸收並傳送更少量的光線。

同樣的情況對傳統太陽能板亦然，這就是為何某些業界的太陽能陣列會機械化，並整天緩慢地移動，他們的面板因而能與天上的太陽完美的排成一直線。沒有了這種自動化的運動，這些太陽能板將不會處於最佳位置，也因而吸收較少的日光。然而，這種效率上的增加是以提供電力給自動化系統、維護這套系統的成本，以及可能的錯誤或沒有對齊作為代價。

Lin 的發現能使這些自動化太陽能陣列變得過時，因為他的抗反射塗層能均勻地吸收日光，而且在每個角度上都相等。這表示，一塊不動的太陽能板經此塗層處理過後，不管太陽在天空何處，均能吸收 96.21% 的日光。所以，除了陽光的吸收顯然更好之外，Lin 的發現也能夠產生新一代不動的、更具成本效益的太陽能陣列。

"在此計畫開始時，我們被問到「有可能創造出一種單一的抗反射結構，那在各種角度都有效嗎？」接著，我們從基礎的觀點來著手解決這個問題，測試並微調我們的理論，並創造出一種可行的裝置，" Lin 說。Rensselaer 物理畢業生 Mei-Ling Kuo 在此研究中扮演關鍵角色。

傳統的抗反射塗層被設計成傳送某一特定波長。Lin 的新塗層堆疊了七層這種塗層，在這樣的方式下，每一層會強化底下那層的抗反射特性。這些額外的層也幫忙將日光的流動「彎曲」到某一角度，那會擴大塗層的抗反射特性。這意味著每一層不僅會傳送陽光，它也會協助捕捉任何可能會被底下那層反射回去的光線。

這七層，每層高度 50 到 100 奈米，以位置在某一傾斜角度的二氧化矽與二氧化鈦奈米棒（nanorods）製成 -- 每一層的外表與作用看起來像一座茂密的森林，陽光在這兒的樹木間被「捕捉」。這些奈米棒透過化學蒸鍍法附著到矽基質上，而 Lin 表示，這種新塗層能固定到幾乎是任何用於太陽能電池中的光伏材料上，包括 III-V multi-junction（III-V 族多接面）與碲化鎘。

※ 相關報導：

＊ Realization of a near-perfect antireflection coating for silicon solar energy utilization
http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-33-21-2527

Mei-Ling Kuo, David J. Poxson, Yong Sung Kim, Frank W. Mont,
Jong Kyu Kim, E. Fred Schubert, and Shawn-Yu Lin
Optics Letters, Vol. 33, Issue 21, pp. 2527-2529
doi:10.1364/OL.33.002527

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