Only Perception: 以垂直矽奈米線陣列捕捉陽光

2010-09-14

以垂直矽奈米線陣列捕捉陽光

Trapping Sunlight with Silicon Nanowires
http://www.physorg.com/news186850199.html

By Lynn Yarris, March 3, 2010

(PhysOrg.com) -- Berkeley Lab 研究者發現一種更好的方式在太陽能電池中捕捉光線：利用垂直矽奈米線陣列。這能藉由大幅減少高效率太陽能板所需之矽的質與量，進而減少太陽能發電的成本。

以矽製成的太陽能電池預計會是未來再生綠能方程式中一項突出「係數」，但是到目前為止這個許諾離現實還遠的很。雖然現在太陽能電池能以令人印象深刻的、百分之 20 的效率將日光轉換成電力，不過這種太陽能的成本卻阻礙它大規模的使用。然而，來自 Lawrence Berkeley National Laboratory （Berkeley Lab，LBNL）的研究者正在開發一種新方法，能大幅減少這些成本。其成就關鍵是一種更好的陽光捕捉方法。

"藉由這種薄膜的製造 -- 那來自於有序的垂直奈米線陣列 -- 我們已能在我們的太陽能電池中增加光線的捕捉達 73 倍，" 化學家 Peidong Yang 表示，他領導這項研究。"因為這種非凡光線捕捉強化背後的組裝技術是一種簡單且可縮放的水合化學（aqueous chemistry）製程，我們相信我們的方法能代表一種在經濟上可施行的、邁向高效率低成本薄膜太陽能電池的途徑。"

Yang 由 Berkeley Lab 的材料科學部門以及 UCB 化學系合聘。他是半導體奈米線 -- 一維條狀奈米材料，其寬度只有人類頭髮的千分之一，但其長度也許能伸展數微米。

"典型太陽能電池由非常昂貴的超純單晶矽晶圓製成，那需要大約 100 微米的厚度以吸收絕大部份的太陽光，但我們的放射狀幾何形狀卻能讓我們以僅八微米厚之矽薄膜製成的奈米線陣列有效地捕捉光線，" 他說。"此外，我們的方法原則上應能讓我們使用冶金級（metallurgical grade）或「髒」的矽，而非使用現在所需要的超純矽結晶體，這應當能更進一步刪減成本。"

Yang 在一篇已發表在 Nano Letters 期刊上的論文中描述這項研究，該論文的共同作者包括 Erik Garnett，一位化學家，後來成為 Yang 研究小組的成員。這篇論文標題是：「Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells」。

從日光產生電力

在所有太陽能電池的核心是二種有所區別的材料層，其一富含電子，作為負極，另一富含電洞（帶正電荷的能量空間），那作為正極。當來自太陽的光子被吸收時，它們的能量被用來創造電子--電洞對，那接著在二材料層的界面間被分離，然後當成電流收集。

因為矽優異的光--電特性，它仍是半導體太陽能電池的首選，不過需求增加已使原料價格上漲。此外，因為需要高階的結晶體純化技術，使得最簡單的矽基太陽能電池的製造都是一種複雜、能源密集且昂貴的程序。

利用奈米結構化放射狀 p-n 接面（radial p-n junctions）的垂直陣列，，而非傳統的平面 p-n 接面，Yang 及其小組藉此減少對於矽的質、量需求。在放射狀 p-n 接面中，一層 n 型矽形成一圈圍繞在 p 型矽奈米線核心的「外殼」。結果，光所激發的電子與電洞行進到（正、負）電極的距離變更短，消除了常在典型矽太陽能電池中出現的電荷載子瓶頸（charge-carrier bottleneck）。由 Yang 與 Garrett 的光電與光學傳輸測量所揭露的，這種放射狀幾何陣列大幅改善光的捕捉。

"因為在陣列中每一根獨立的奈米線都有 p-n 接面，每一個作用都如同獨立的太陽能電池，" Yang 說。"藉由調整我們陣列中奈米線的長度，我們能夠增加其光捕捉路徑長度。"

雖然這些奈米線的轉換效率只有大約百分之五到百分之六，不過 Yang 表示，轉換效率只要在表面鈍化（surface passivation）、抗反射（antireflection）與其他增加效率的修改上稍作努力就能夠改進。

"隨著進一步改善，絕大部份在表面鈍化上，我們認為有可能將效率推向大約百分之 10，" Yang 說。

將百分之 10 或更好的轉換效率與大幅減少起始矽材料的數量以及能使用冶金級矽的能力結合，應當能使矽奈米線成為有吸引力的大規模部署候選者。

如同 Yang 所補充的："我們的技術能用在現有的太陽能板製造過程中。"

※ 相關報導：

＊ Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl100161z