在美國(guó)材料學(xué)研究協(xié)會(huì)最近舉行的年會(huì)上，麻省工學(xué)院開(kāi)麥林教授展示了最新研制成功的新型太陽(yáng)能電池模型，新模型對(duì)原有的薄膜太陽(yáng)能電池進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使得電池所吸收的太陽(yáng)光能夠停留更長(zhǎng)時(shí)間，因而大大提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的效率。

　　薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用潛力巨大

　　最早使用的太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏電池，可追溯到1954年，當(dāng)時(shí)是由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明出來(lái)，當(dāng)時(shí)研發(fā)的動(dòng)機(jī)是希望能給偏遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)的提供能源，那時(shí)太陽(yáng)能電池的效率只有6%。接著，從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開(kāi)始，一直到1969年美國(guó)宇航員登陸月球，太陽(yáng)能光伏電池的應(yīng)用可說(shuō)是得到了充分發(fā)揮。全球94%的太陽(yáng)能光伏電池均采用硅晶制造。

　　自上世紀(jì)80年代以來(lái)，太陽(yáng)能電池相關(guān)研究人員開(kāi)始研究以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)能電池的技術(shù)，并取得巨大進(jìn)展。由于薄膜太陽(yáng)能電池使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板，具有柔軟便攜、耐用、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，因此人們對(duì)它的實(shí)用化期待很高，可廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、遠(yuǎn)程監(jiān)控/通訊、軍事、野外/室內(nèi)供電等領(lǐng)域。專(zhuān)家認(rèn)為，未來(lái)5年內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池將大幅降低成本，屆時(shí)這種薄膜太陽(yáng)能電池將廣泛用于手表、計(jì)算器、窗簾甚至服裝上。

　　由于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池厚度接近200微米，需要更多的材料，而薄膜太陽(yáng)能電池厚度只有幾個(gè)微米，因而在價(jià)格上具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是目前的薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率較低，主要原因是紅外線等太陽(yáng)光都是光子物質(zhì)，在薄膜內(nèi)停留時(shí)間不夠長(zhǎng)，不足以被更多地吸收。因此這成為科學(xué)家們攻克的難點(diǎn)。

　　光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高效能15%

　　開(kāi)麥林教授研制的薄膜太陽(yáng)能電池只有5個(gè)微米厚，他們的設(shè)計(jì)原理是，在新電池的背面鍍上反射效率極高的物質(zhì)，而在正面涂上一層沒(méi)有反射功能的涂層，這樣電池就能吸收更多的紅色光線及紅外線，并將這些光線轉(zhuǎn)換成電能。通過(guò)如此改造設(shè)計(jì)的薄膜太陽(yáng)能電池比目前商用薄膜太陽(yáng)能電池的效率提高了15%。開(kāi)麥林教授表示，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，這種新型電池的轉(zhuǎn)化效率還有35%的提高空間。

　　現(xiàn)在常見(jiàn)的薄膜太陽(yáng)能電池背面都鍍有一層金屬，通常是鋁金屬，但金屬表面每次反射會(huì)損失大約30%的太陽(yáng)光。而麻省工學(xué)院的研究人員沒(méi)有使用金屬表面，而是在硅基層上刻著凹槽和凸起，使表面形成光柵，然后在表面鍍上一層具有光子特性的晶體，即由硅和二氧化硅交替組成的多層結(jié)構(gòu)。

　　這種光學(xué)晶體結(jié)構(gòu)反射太陽(yáng)光后，光柵接收到這些反射光并以更低的角度將這些反射光重新反射回硅基層內(nèi)，反射光并沒(méi)有損失，而是重新被反射回來(lái)，延長(zhǎng)了光在電池內(nèi)的停留時(shí)間，電池也就能吸收更多的太陽(yáng)能，將更多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能。研究人員正在繼續(xù)優(yōu)化光學(xué)晶體和光柵結(jié)構(gòu)，希望進(jìn)一步提高這款薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率。

　　技術(shù)難題和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

　　這款新型光學(xué)薄膜太陽(yáng)能電池目前還無(wú)法投入實(shí)際運(yùn)用。主要障礙在于，研究人員目前使用的光柵雕刻技術(shù)是干涉微影技術(shù)，這種技術(shù)成本很高。另外，反射面的交替層也需要一個(gè)個(gè)手工鍍上去，非常消耗時(shí)間和人力，現(xiàn)在研究人員需要研制新的技術(shù)，以便能夠更大規(guī)模地和以更低的價(jià)格生產(chǎn)這種應(yīng)用潛力巨大的新型太陽(yáng)能電池。開(kāi)麥林教授目前正在考慮用納米影印術(shù)取代干涉微影技術(shù)。

　　開(kāi)麥林教授的研究得到了業(yè)內(nèi)肯定，但也遇到一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。美國(guó)一家公司為了提高薄膜太陽(yáng)能電池的吸光效率，將硅基層表面鍍上納米級(jí)凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，這樣的電池除了能夠吸收紅外線外，還能吸收所有的可見(jiàn)光，但光能轉(zhuǎn)化效率的潛能目前還沒(méi)有得到證明。

　　另外，美國(guó)埃姆斯實(shí)驗(yàn)室也在研制光學(xué)晶體的薄膜太陽(yáng)能電池，只不過(guò)是非晶硅的，他們用銦錫氧化物層取代硅基層，并在銦錫氧化物層內(nèi)刻有許多極小的硅柱組成的矩陣。但是他們的太陽(yáng)能電池最多只能將轉(zhuǎn)化效率提高15%，唯一的優(yōu)勢(shì)在于電池只有0.5個(gè)微米，因而耗材更少，價(jià)格更便宜。