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热电子助力光吸收 硅器件化身绕指柔

2016-08-06 11:32
论恒
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  众所周知,太阳能的科学利用是解决当前严峻的能源危机和环境问题的有效途径之一,因而成为各国科学家研究的一个热点。在各种能源转化形式中,电能具有使用方便、易于输送等优势,因此光电转换一直是一种主要的太阳能利用方式。太阳能的高效利用可通过扩大吸光范围和提高转换效率等来实现,然而目前大多数光伏器件都是工作在可见光波段,在太阳光中占比52 %的近红外光却没有得到有效利用。正因为此,增强光电器件在近红外区域的太阳光吸收和利用,便成为一个关键科学问题。

  针对该问题,中国科学技术大学熊宇杰教授课题组巧妙利用金属纳米结构等离激元的热电子注入机制,基于半导体硅材料设计了一种可在近红外区域进行光电转换且具有力学柔性的光伏器件。该研究成果发表在ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION [55, 4577-4581 (2016)]上,并被该刊评为重要论文。

  研究人员基于课题组此前已作研究的半导体-金属界面上的热载流子注入效应(Angew. Chem. Int. Ed. 53, 3204 (2014);Adv. Mater. 27, 3444 (2015)),将具有近红外等离激元吸收带的银纳米片分别引入无机-有机杂化和肖特基型光伏器件中。在近红外光照下,等离激元效应产生的热电子可以直接注入到单晶硅的导带中,能有效提高近红外光区光电转换性能。以波长为800 nm的近红外光为例,引入银纳米片后,器件的外量子效率由24.2 %提高到38.4 %,得到了59 %的增强。

  图1 基于等离激元热电子注入效应的近红外柔性太阳能电池

  另外值得一提的是,这一工作实现了“自上而下”的微加工技术和“自下而上”的组装技术的有效结合。该课题组首先采用湿法刻蚀方法制备出硅纳米线阵列,然后采用滴注方式将含银纳米片的悬浮液引入硅纳米线阵列中。以此种方法制造出的太阳能电池不仅具有了良好的近红外吸收效率,而且还拥有了一定的柔性。这使得其可以折叠、卷曲、粘贴等方式附着在曲面上(如汽车玻璃、屋顶、衣服等),因而极大地扩展了应用空间。

  该研究提出了新的界面工程思路,推动了热电子注入机制的应用,将拓展人们对能源转化中电子运动“微观引擎”的控制能力。

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