基于蚀刻图案能大幅降低太阳能电池硅用量

高纯度的硅占据了传统太阳能电池阵列总成本的40%，因此研究人员长久以来一直在寻找可最大化太阳能电池输出功率，同时降低硅用量的途径。现在，麻省理工学院(MIT)的研究团队找到了一种可降低硅厚度的新途径，可在保持电池高效的基础上，最高变薄90%，从而降低薄膜太阳能电池的制造成本。相关研究报告发表在近期出版的《纳米快报》杂志上。

该校机械工程系的研究人员称，这一途径的秘密在于蚀刻在硅表面的微型倒金字塔图案。他们使用了两束重叠的激光束，以便在沉积于硅之上的光刻胶的表面生成特别的微小刻痕。经过几个中间步骤后，氢氧化钾可溶解未被光刻胶覆盖的表面部分，从而在材料表面产生希望获得的金字塔图案。这些微小的刻痕，每个都不足百万分之一米，却能够像厚度为自身30倍的固体硅表面一样有效地捕获光线。这种可有效提升薄膜太阳能电池效能的新方法有望作用于任意的硅基电池。

科学家表示，如果能够大幅降低太阳能电池中硅的用量，就能显著降低电池的生产成本。但问题是，当电池被打造得很薄时，其吸收阳光的能力将随之降低。不过，新方法却能克服这一问题。被研究小组称为"倒转纳米金字塔"的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面积只会增加70%，从而限制了表面复合现象的发生。表面复合是指半导体少数载流子在表面消失的现象。半导体表面具有很强的复合少数载流子的作用，同时也使得半导体表面对外界的因素很敏感，这也是造成半导体器件性能受到表面影响很大的根本原因。

基于新方法获得的10微米厚晶体硅能够达到和30倍厚的传统硅片近似的光吸收量。这不仅能够减少太阳能电池中昂贵的高纯度硅用量，还能减轻电池的重量，并因此节约所需的电池用料，有效降低薄膜太阳能电池的材料成本和安装成本。此外，新技术所使用的设备和材料也是现有硅芯片处理标准零件，因此无需更新制造设备，从而使制造的难度大幅降低，更加便于实施和操作。

迄今为止，研究团队只进行了制造新型太阳能电池的第一步，即基于硅片生产了具有图案的表面，并借助俘获的光线证实了它的效能提升，下一步则需要增加组件以生产真实的光伏电池，并证明它的能效可与传统太阳能电池相媲美。现今最佳的商用硅基太阳能电池的转化效率为24%，而科学家期望新途径能够实现约为20%的能量转换效率，但这仍需进一步的实验进行检验。如果一切顺利，新系统可在不远的未来实现商用化，制造出更经济的薄膜太阳能电池，而超薄的设计也将使其应用范围更加广泛。