新纪录！薄膜硅光伏电池的能量转换效率突破65%！

       硅太阳能电池被公认为引领光伏领域的发展，具有高能量转换效率，且原材料是自然含量丰富的硅（化学式为Si）。然而，由于其厚、硬、重的晶圆等限制，硅太阳能电池的安装对空间有一定要求。解决这一难题的方法之一是开发相对应的薄膜材料，这样不仅减少了99%以上的Si耗量（极大地节省了原材料），并且让电池更轻便和灵活。基于此，硅薄膜太阳能电池可集成到建筑物、城市建设，甚至是小型常用设备上。但另一个问题随之而来——与块材相比，硅薄膜的吸光效率降低——透明特征使得太阳光的实际吸收效率仅为25%。

图1 由3D光伏实验室制造的硅薄膜电池的太阳光吸收率达到65%。（图片来源：AMOLF）

        近日，荷兰原子分子国立研究所（AMOLF）、英国萨里大学和帝国理工学院的研究人员合作设计了一种纳米纹理结构（如图1），可以提高薄膜型太阳能电池的能量转换效率至65%，接近理论预言的极限值。

高能量转换效率的原理

        这种特殊排布的纳米结构以一定角度重新定向太阳光，巧妙地使其局限在硅薄膜内。光线被捕获后，薄膜厚度有效增加，并且提高吸收效率。

      根据硅的晶体结构得到会在硅薄膜内多次反射的光线入射角度，研究人员借鉴了自然界常见的物质形态，大至宇宙秩序，小到鸟类眼睛中光受体的分布情况等，设计出这种纳米结构。图1展示其整体超均匀分布和细节随机排列，但也有一定的内在限制条件。因此，超均匀设计结合了两者的优点：

(1)晶格有序态筛选特定入射角度的光，并由于晶体的周期性，在薄膜内将其捕获；

(2)单一图案的无序态扩展了入射角度范围，增加吸收效率；

        此外，研究人员称，这种超均匀结构排列不止一种，因此不仅提供了高度灵活的设计方案，并且不降低光学性质。从实际操作角度出发，因为不是所有纳米结构可以根据需要重复性制造，所以实现这一点对薄膜电池的开发非常重要。

尺寸的局限性

       硅薄膜吸收太阳能的两个“卡脖子”挑战是太阳光谱的非单色性以及薄膜的尺寸限制。从光学角度分析，由于周期性重复结构，优化光重定向过程和捕获单色光相对简单。但是，白光有若干个颜色波段，而硅对不同波长的光吸收能力不同。

        厚太阳能电池解决了以上问题，其具有金字塔型粗化表面且图案尺寸可比拟光波长（即上限为1 μm，仅为Si材料总厚度的1%）。然而，该方法不适用于厚度为光波长数量级的薄膜。于是，该合作组人为排列部分纳米结构，通过捕捉范围较宽的单色光来规避这个问题，比如红光。这种纳米图案不仅适用于硅单层，也适用于任何需要人为设计提高光吸收率的薄膜材料。

未来的应用

       AMOLF课题组负责人Esther Alarcon Llado解释道：“基于以上结构，1μm厚的柔性碳-硅电池的光伏发电效率至少为20%，这意味着C-Si电池的发展向延展型、轻便型方向突破。此外，相比块材，硅薄膜对原材料点缺陷的容忍度更高，那么较低纯度的硅就能制造出高效硅薄膜电池，从而降低硅提纯过程的能耗，减少能量循环时间。”

      “超均匀排布薄膜型光伏电池是一项非常有应用前景的技术。虽然要使其应用于日常生活仍有很多困难要克服，但是这项工作告诉我们，不久的将来，梦想就会实现。”