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更有效地“管理光”

太阳能产业亘古不变的命题是光伏效率。加州理工大学的材料科学教授哈利·阿特沃特团队在纳米尺度上研究如何“管理光”，设计更巧妙的架构，能使光伏电池的效率有一个质的飞跃。

太阳能产生电力，是因为来自太阳的光子撞击电池内的半导体材料，光子的能量敲松材料中的电子，使电子自由流动。

传统的太阳能电池通常是100微米厚，或者更厚，由单一的半导体材料组成，通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太阳光谱，通常也只能转换不到 20% 的能量为电能，绝大部分阳光的能量都以热能形式散失了。自1961年以来，科学家已经知道，在理想条件下，阳光照射到单个p-n结晶体太阳能电池上，产生的电能数量有一个限度。这个绝对限度，从理论上说大约是33.5%。这意味着，最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收，并转换成有用的电能。

目前，Sunpower 公司最好的单个 p-n 结晶体硅电池效率为24%，阿特沃特参与创办的公司阿尔塔设备(Alta Devices)的砷化镓太阳能电池最高的光电转化效率可达到27.6%。如果将半导体材料堆叠起来能使转化效率大幅提高。无限p-n结晶体太阳能电池在聚光下的理论效率极限是86%。现实中，Solar Junction 公司的三节电池在947倍聚光下的光电转化效率为44%。但串联意味着在生产电池时，大量人力物力财力消耗在元件的叠加和制作缓冲层上，也意味着电池没法做得很薄。

为了降低成本，也因为用途更加广泛，研究人员一直在寻求制备更薄的太阳能电池的办法。“薄膜电池”能与建筑完美结合，也更容易集成在日常用品里，如背包、帐篷、救生衣，甚至电子产品里。然而，较薄的太阳能电池只能吸收较少的光线，意味着不能产生同样多的电力。阿特沃特和他的同事们想到了一个解决方案。

他们求助于一种奇特的光学效应，称为光学谐振(optical resonance)。正如无线电天线会谐振并吸收特定的无线电波，纳米光学天线也可以谐振并吸收特定波长的光。利用这种效应，他们设计了一种薄薄的纳米楔形结构，这个结构吸光能力很强，能吸收70%的广谱光线。它像一个棱镜，将太阳光分解成 6~8个不同波长的部分，每一束光颜色各不相同，但每一束光都能被不同的半导体面板吸收。

他们利用这个理念设计出三种结构，上述这一种已经做出原型。太阳光经由一块金属板反射并从一个独特的角度进入这个特殊结构。它由一种透明绝缘材料制成。材料表面的涂层是多个薄膜太阳能电池，由6-8种不同的半导体材料组成。一旦光进入材料，它会遇到一系列很薄的光学过滤器。每一个过滤器只会让特定颜色的光通过，被特定的电池吸收，剩下的依次过滤，依次吸收。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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