斯坦福大学的科学家们创造了有史以来最薄，最有效的可见光吸收器。科学家表示，纳米尺寸结构比普通纸张薄几千倍，可以降低成本，提高太阳能电池的效率。
他们的结果发表在Nano Letters期刊的当前在线版上。
斯坦福大学化学工程教授，研究团队成员斯泰西本特说：“用很少量的材料完全吸收可见光是非常需要的，包括太阳能转换为燃料和电能。” “我们的研究结果表明，极薄的材料层可以吸收几乎100%的特定波长的入射光。”
更薄的太阳能电池需要更少的材料，因此成本更低。研究人员面临的挑战是减少细胞的厚度，同时不影响其吸收阳光并将其转化为清洁能源的能力。
在这项研究中，斯坦福大学的团队创造了薄薄的晶圆，上面点缀着数万亿圆形的金颗粒。每个金纳米点高约14纳米，宽17纳米。
可见光谱
理想的太阳能电池能够吸收整个可见光谱，从400纳米长的紫色光波到700纳米长的红色波，以及不可见的紫外和红外光。在实验中，博士后学者Carl Hagglund和他的同事们能够调整金纳米点以吸收光谱中一个光点的一个光：红色 - 橙色光波长约600纳米。
该调查的第一作者Hagglund说：“就像一把吉他弦，它的共振频率在你调谐时会发生变化，金属粒子的共振频率可以微调，以吸收特定波长的光线。” “我们调整了系统的光学特性，以最大限度地提高光吸收率。”
使用称为嵌段共聚物光刻的技术在附近的日立工厂制造金纳米点填充的晶片。每个晶片每平方英寸含有约520亿个纳米点。在显微镜下，六角形颗粒阵列让人想起蜂窝状物。
Hagglund的团队使用原子层沉积工艺在晶圆顶部添加了薄膜涂层。“这是一种非常有吸引力的技术，因为你可以均匀地涂覆颗粒并将薄膜的厚度控制在原子水平，”他说。“这使得我们可以简单地通过改变点周围涂层的厚度来调整系统。人们已经建立了这样的阵列，但他们没有将它们调整到最佳的光吸收条件。这是我们工作的一个新颖方面。 “
记录结果
结果是记录设定。“涂层晶圆吸收了99%的红橙色光，”Hagglund说。“我们在金纳米点本身也实现了93%的吸收。每个点的体积相当于仅1.6纳米厚的金层，使其成为有记录以来最薄的可见光吸收剂 - 比商用薄膜薄约1000倍。薄膜太阳能电池吸收器。“
他补充说，之前的记录保持者要求吸收层厚三倍才能达到总光吸收。“因此，我们通过优化这些超薄纳米工程系统，大大推动了光捕获的极限，”Hagglund说。
斯坦福大学团队的下一步是证明该技术可用于实际的太阳能电池。
“我们现在正在研究使用可以吸收太阳光的超薄半导体材料来建造结构，”斯坦福高效能量转换纳米结构中心(CNEEC)的联合主任Bent说。“然后将对这些原型进行测试，以了解我们如何有效地实现太阳能转换。”
在实验中，研究人员在不同的纳米点阵列上应用了三种类型的涂层 - 硫化锡，氧化锌和氧化铝。“这些涂料都不具有吸光性，”Hagglund说。“但理论上已经证明，如果你应用半导体涂层，你可以将吸收从金属颗粒转移到半导体材料。这将产生更长寿命的高能电荷载体，可以引导到一些有用的过程，如制作电流或合成燃料。“
最终目标
Bent补充说，最终目标是通过将太阳光的吸收限制在尽可能少的材料来开发改进的太阳能电池和太阳能燃料装置。“当然，这可以最大限度地减少构建设备所需的材料，”她说。“但期望的是，它也将允许更高的效率，因为通过设计，电荷载体将非常接近所需的位置 - 也就是说，它们将被收集以产生电流或驱动的地方附近化学反应。“
科学家们也在考虑用较便宜的金属制成的纳米点阵列。“我们之所以选择黄金，是因为它对我们的实验来说更具化学稳定性，”Hagglund说。“虽然黄金的成本几乎可以忽略不计，但如果你想制造一个好的太阳能电池，从光学的角度来看，银的价格更便宜，更好。我们的设备厚度减少了几个数量级。这表明我们可以最终减少了太阳能电池的厚度。