研究发现纳米微粒有助于太阳能电池捕捉光

美国工程师最近发现，金属纳米颗粒可以大幅提升某些类型太阳电池的性能。加州大学圣地亚哥分校的Ed Yu等人表示，将金纳米颗粒沉积在磷化铟磷砷化镓(InPGaAsP)量子阱结构的太阳能电池上，可将功率转换效率提升17%，克服了这类组件中光子吸收率及光生电荷载子(photogenerated charge carriers)收集率无法兼顾的问题。

制作高效率光伏(photovoltaic)组件的主要障碍之一，是材料本身的损耗会降低太阳电池的功率转换效率，其中功率转换效率的定义为落在材料上的太阳辐射量除以电池的输出功率，因此选择正确的材料是获得高效率的关键。为了达到高效率，研究人员必须使用高光子吸收率的材料，这意味着含有量子阱的层状结构厚度必须不低于1 μm，然而厚度一旦超过0.3 μm，又会牺牲掉电荷载子收集率。加大团体成功的关键便在于找到化解上述矛盾的方法。

Yu指出，位于磷化铟基板上的量子阱区受到低折射率材料上下包夹，形成平板波导(slab waveguide)，光子会在波导内平行电池表面传递，由于经过的光径较长，因此有很高的机率被吸收。这个作法对于较薄的多层量子阱层也管用，而多层量子阱系统可提供较高的光生电荷载子萃取率。此外，他们在太阳电池表面沉积金属或介电质纳米微粒，将光散射至垂直波导的方向，通过提高太阳电池收集的光量，进而提升电流密度和功率的转换。该团队表示，这种将光散射入组件内部波导模的概念，可以应用在薄膜光伏材料及任何无法镀上抗反射膜的组件。

高效率量子阱太阳电池非常合适要求高效率、质轻体积小的太空应用。相较于已成熟的多接面串迭型太阳能电池(tandem cells)，量子阱太阳能电池和相关的组件是单接面结构，因此没有困扰多接面结构的电流匹敌(current-matching)问题，这在应用上是一项优点，因为组件承接的太阳辐射量会随着位置、时间和大气条件而变。该团队目前正在寻找低折射更率的基板，以进一步提升补捉光的效率。