IMEC研究影响薄膜电池效率的金属钠米结构

IMEC（比利时鲁汶）与项目合作伙伴共同开展欧盟第七ICT研究与开发框架计划（FP7）的项目――PRIMA，目标是通过使用金属钠米结构，提高太阳能电池的效率并将降低成本。IMEC作为项目协调方，与帝国理工学院（伦敦）、查尔姆斯理工大学（瑞典哥德堡）、Photovoltech公司（比利时蒂嫩）、QuantaSol公司（英国萨里）和澳大利亚国立大学（澳大利亚堪培拉）展开合作。

纳米等离激元学高级研究员、IMEC项目负责人Pol van Dorpe称，此项目的目的是利用等离子体纳米结构改善薄膜电池的光吸收。“我们想要改善不同太阳能电池技术中的光吸收，”他说，“并得出可以商业化的通用于不同太阳能电池技术的改进方案。”

van Dorpe指出，一般而言，在各种类型的太阳能电池中，使其价格便宜的最好方法就是把它们做得更薄，减少基础材料的用量。“这就是为什么我们必须要增强光吸收，”他说，“越薄的电池吸收光的材料越少。这就是我们探索将光集中到更小的剩余空间的原因。”

同其他同行一样，PRIMA项目小组致力于在降低成本的同时，还要保持太阳能电池的功率水平。“不过，要获得相同的性能，我们需要采用新方案将光导入硅中。”van Dorpe说。

研究人员正在深入研究某些纳米结构的金属表面，这些表面在吸收和加强特定波长的光方面表现出独特的特性。这是因为入射光引起了金属表面电子的集体振动，形成一种表面等离子体光学现象。等离子体光学有望产生多种应用。它可以用于通过芯片上纳米大小的互连传输光信号，或在能够识别和作用于生物分子的纳米微粒中传输光信号，在太阳能电池中亦然。

研究采用各种金属钠米结构来提高太阳能电池性能。（来源：IMEC）

在光伏应用中，这些金属钠米结构可以大幅促进电池光敏材料的光吸收，从而能够生产出更薄、更廉价的太阳能电池。金属纳米结构可以提高多种类型的太阳能电池的光吸收，如晶体硅（c-Si）电池，高性能III-V族半导体电池，以及有机和染料敏化太阳能电池。

目前，研究人员还在研究可散射光并延长太阳能电池中的光传输路径的硅纳米微粒。“一般情况下，电池较厚时，电池表面纹理本身就能实现光路径延长，”Van Dorpe解释道，“入射角越大，光穿过硅材料的路径就越长，释放出越多能量。但是，这种纹理结构只对于较厚的太阳能电池存在，对薄膜电池来说不起作用。”

基于III-V族材料和有机太阳能电池的聚光型太阳能电池也是此项目的研究范畴。这些类型的太阳能电池价格低廉但需要提高效率。“若电池做得足够薄，必然存在一个最佳效率和厚度的平衡，”van Dorpe说，并补充道有机电池的电学性能本身并不能很好地体现这种平衡，“我们需要就性能提高和成本增加之间的平衡作出评估（/Wp）并设定标准。”

PRIMA项目的目标是深入研究金属钠米结构的物理机制及其在增强太阳能电池材料光吸收的引用。该项目的合作方还将研究如何将这些结构完美地纳入商业化的光伏生产。这就要求测试各种结构，并参考高指标的太阳能电池对其进行衡量。最后参与项目的太阳能企业将评估这些电池的性能和可行性。