斯坦福大学工程师的纳米级外壳窃窃私语画廊改善了薄型太阳能电池板

安德鲁·迈尔斯（Andrew Myers）

参观美国国会大厦大楼雕像大​​厅的游客可能会体验到一种奇怪的声学特征，即一个人可以在半球形的海绵状房间的一侧轻声细语，而另一侧的另一侧听到每个音节的声音。声音在房间的半圆形周长周围几乎没有瑕疵。这种现象被称为耳语画廊。

在《自然通讯》上发表的一篇论文中，斯坦福大学的一个工程师团队描述了它如何创建光伏纳米晶体硅的微小空心球体，并利用物理学来照亮窃窃私语的画廊来做声音。工程师们说，结果可以大大减少材料的使用和加工成本。

纳米晶硅是一种很好的光伏材料。该论文的合著者，斯坦福大学电气工程学副教授樊善辉说：“它具有很高的电效率，并且在恶劣的阳光下也很耐用。”“对于其他类型的薄太阳能膜来说，这两者都是挑战。”

然而，纳米晶硅的衰落一直是其相对较差的光吸收，这需要厚层，这需要很长时间来制造。

单层纳米晶硅壳的扫描电子显微镜图像。中空壳结构改善了光吸收，同时降低了设备的成本和重量。（照片：姚燕/斯坦福大学）

窃窃私语的画廊

工程师称他们的球为纳米壳。生产贝壳需要一些工程魔术。研究人员首先制造出微小的二氧化硅球（由同样的玻璃制成），并在其上覆盖一层硅。然后，他们使用不影响硅的氢氟酸蚀刻掉玻璃中心，留下最重要的感光壳。这些贝壳形成了回音壁，捕捉并循环了光线。

斯坦福大学材料科学工程学副教授，该论文的资深作者易翠说：“光被捕获在纳米壳内部。”“它循环而不是通过循环，这对于太阳能应用来说是非常理想的。”

研究人员估计，光在壳的圆周上循环了几次，在此期间，光的能量逐渐被硅吸收。壳可以将光线保持在材料中的时间越长，吸收效果越好。

“这是宽带光吸收的一种新方法。纳米壳内部的耳语画廊共振模式的使用非常令人兴奋。” Cui Lab博士后研究员，论文的共同主要作者Yan Yao说。“它不仅可以带来更好的太阳能电池，而且可以应用于其他重要的有效光吸收领域，例如太阳能燃料和光电探测器。”

风雨同舟

在测量单层纳米壳中的光吸收时，研究表明，与纳米壳并排沉积的硅平坦层相比，在更宽的光谱范围内的吸收明显更多。

纳米球形壳确实达到了最佳效果，并使薄膜的吸收效率最大化。外壳都允许光线轻松进入薄膜，并且它们以较大的对应物无法捕获的方式捕获光线以增强吸收。这就是纳米技术的力量。崔杰实验室的博士后研究员，该论文的共同主要作者姚杰说。

此外，通过在彼此之上沉积两层或什至三层纳米壳，研究小组进一步提高了吸收率。通过三层结构，它们能够在太阳光谱的某些重要范围内实现75％的光的总吸收。

巧妙的结构

在展示出更好的吸收能力之后，工程师们继续展示出他们聪明的结构将如何超越单纯的光陷阱而付出代价。

首先，可以快速制造纳米壳。严说：“固态纳米晶体硅的微米厚的平面膜可能需要几个小时的沉积时间，而实现类似光吸收的纳米壳仅需几分钟的时间。”

同样，纳米壳结构使用的材料要少得多，是固态纳米晶体硅的二十分之一。

杰伊说：“这种材料的二十分之一当然要花费固体层的二十分之一，而重量却是固体层的二十分之一。”“这可能使我们能够经济有效地生产稀有或昂贵材料的性能更好的太阳能电池。”

“我们论文中的太阳能膜是由相对丰富的硅制成的，但是在未来，减少纳米壳提供的材料可能被证明对于扩大许多类型的薄膜电池的生产至关重要，例如那些使用稀有材料的电池崔实验室的博士候选人，该论文的合著者维杰·纳拉西姆汉（Vijay Narasimhan）说，例如碲和铟。

最后，纳米壳对入射光的角度相对无所谓，并且层薄到足以弯曲和扭曲而没有损坏。这些特性可能在无法始终实现最佳太阳入射角的情况下开辟了一系列新应用。想象一下在公海的太阳帆或用于登山的光伏服装。

范善辉表示：“这种新结构仅仅是个开始，展示了使用先进的纳米光子结构来提高太阳能电池效率的令人兴奋的潜力。”

斯坦福大学的纳米结构高效能转换中心（CNEEC）和美国能源部资助了这项研究。

Andrew Myers是工程学院的传播副主任。