蝕刻圖案能大幅降低太陽(yáng)能電池硅用量

高純度的硅占據(jù)了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池陣列總成本的40%，因此研究人員長(zhǎng)久以來(lái)一直在尋找可最大化太陽(yáng)能電池輸出功率，同時(shí)降低硅用量的途徑?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，最高變薄90%，從而降低薄膜太陽(yáng)能電池的制造成本。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》雜志上。

該校機(jī)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(jīng)過(guò)幾個(gè)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(chǎn)生希望獲得的金字塔圖案。這些微小的刻痕，每個(gè)都不足百萬(wàn)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(yáng)能電池效能的新方法有望作用于任意的硅基電池。

科學(xué)家表示，如果能夠大幅降低太陽(yáng)能電池中硅的用量，就能顯著降低電池的生產(chǎn)成本。但問(wèn)題是，當(dāng)電池被打造得很薄時(shí)，其吸收陽(yáng)光的能力將隨之降低。不過(guò)，新方法卻能克服這一問(wèn)題。被研究小組稱為“倒轉(zhuǎn)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(huì)增加70%，從而限制了表面復(fù)合現(xiàn)象的發(fā)生。表面復(fù)合是指半導(dǎo)體少數(shù)載流子在表面消失的現(xiàn)象。半導(dǎo)體表面具有很強(qiáng)的復(fù)合少數(shù)載流子的作用，同時(shí)也使得半導(dǎo)體表面對(duì)外界的因素很敏感，這也是造成半導(dǎo)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(dá)到和30倍厚的傳統(tǒng)硅片近似的光吸收量。這不僅能夠減少太陽(yáng)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(jié)約所需的電池用料，有效降低薄膜太陽(yáng)能電池的材料成本和安裝成本。此外，新技術(shù)所使用的設(shè)備和材料也是現(xiàn)有硅芯片處理標(biāo)準(zhǔn)零件，因此無(wú)需更新制造設(shè)備，從而使制造的難度大幅降低，更加便于實(shí)施和操作。

迄今為止，研究團(tuán)隊(duì)只進(jìn)行了制造新型太陽(yáng)能電池的第一步，即基于硅片生產(chǎn)了具有圖案的表面，并借助俘獲的光線證實(shí)了它的效能提升，下一步則需要增加組件以生產(chǎn)真實(shí)的光伏電池，并證明它的能效可與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相媲美?，F(xiàn)今最佳的商用硅基太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率為24%，而科學(xué)家期望新途徑能夠?qū)崿F(xiàn)約為20%的能量轉(zhuǎn)換效率，但這仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。如果一切順利，新系統(tǒng)可在不遠(yuǎn)的未來(lái)實(shí)現(xiàn)商用化，制造出更經(jīng)濟(jì)的薄膜太陽(yáng)能電池，而超薄的設(shè)計(jì)也將使其應(yīng)用范圍更加廣泛。