【能源材料】為太陽能電池製造一個專屬的太陽

■位於麻省理工學院機械系的元件研究實驗室研發出一種特殊結構能將具各種能量光子的太陽光都轉變成能量大約等於半導體能隙的電磁波，以提升太陽能電池的效率。這個系統稱為太陽能熱光電電池，包含三部分：吸收層、發射層及太陽能電池。

撰文｜方程毅

利用太陽能發電不是什麼新鮮事，太陽提供能量遠大於任何地球上所蘊含的能量，但無論我們的製造技術如何進步，在理論上我們都不可能找到一個材料能夠完全將太陽光提供的能量轉換成電能。這是因為太陽能電池主要是利用半導體具有能隙(band gap)的特性來發電，太陽能電池發電的基本機制是光子被材料吸收後產生具相同能量的電子電洞對(electron-hole pair)，當光子能量大於能隙且被吸收時，產生的電子電洞對便是電流的來源。因此若是光子能量小於能隙，則這個光子便無法被吸收並轉成電流；但若是光子的能量大於能隙，縱然產生電子電洞對的能量比能隙大，電子及電洞的能量也會迅速損失，直到能量等於能隙為止。

舉例來說，最常用於製作太陽能電池的材料，矽(Silicon)，能隙為1.12電子伏特(eV)(約等同於波長1106奈米的光子，紅外光)，因此光子能量小於1.12電子伏特(意即波長大於1106奈米的光子)便無法被矽吸收轉換成電能；但相反的假設一個光子具有2電子特的能量(波長約620奈米的紅光)，矽在吸收這個光子後卻還是只能產出1.12電子伏特的能量，剩下的0.88電子伏特會轉換成熱能而損失，這個現象會讓太陽能電池先天上無法達到100%的光電轉換效率，此為著名的蕭基-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)，所以太陽光對我們來說並非一個理想的能量來源。

位於麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)機械系的元件研究實驗室(Device Research Laboratory)便研發出一種特殊結構能將具各種能量光子的太陽光都轉變成能量大約等於半導體能隙的電磁波，以提升太陽能電池的效率，此研究成果刊載於自然-奈米科技期刊(Nature Nanotechnology)。這個系統稱為太陽能熱光電電池(solar thermophotovoltaics (STPVs))包含三部分：吸收層(absorber)、發射層(emitter)及太陽能電池。

吸收層由多壁奈米碳管(multiwalled carbon nanotubes)陣列組成，接近理想黑體(blackbody)並能吸收大部分的太陽光，而發射層則是由矽及二氧化矽的一維光子晶體組成(1-D photonic crystal)。吸收層在吸收太陽光光子之後溫度上升，溫度上升產生的熱能會傳遞到放射層，放射層便再利用熱輻射(thermal radiation)放出特定範圍能量的電磁波讓太陽能電池吸收。

這個團隊設計的結構主要針對銻砷化銦鎵(InGaAsSb)為主要吸收層的太陽能電池(銻砷化銦鎵的能隙為0.55電子伏特)。藉由設計矽及二氧化矽的一維光子晶體的厚度，便可使放射層所放出的電磁波能量符合銻砷化銦鎵所需的吸收能量，藉此減少因為光子能量大於能隙而造成的損失。

但這樣的設計也有其限制，一是耐熱性，由於吸收層吸收太陽光之後溫度會上升至1,300 K，因此吸收層及放射層都必須具有好的耐熱性，以避免再轉換能量的時候分解；二是為了避免熱在傳遞的過程中損失，因此吸收層、放射層與太陽能電池本身必須被包裝在真空環境下，因此增加了製造的困難度與成本。

目前這個結構得到的光電轉換效率為3.2%，雖然遠低於一般市售的矽太陽能電池(18-20%)，但主持這項研究的麻省理工學院團隊也樂觀的預估這項技術的效率有機會在未來超過20%，而理論計算更顯示這個方法光電轉換效率的極限大約是85%，或許在不久的將來太陽能電池的光電轉換效率會因為這項技術有顯著的增長。

Reference
1.Lenert, A. et al. Nature Nanotech. 9, 126–130 (2014).
2.Fan, S, Nature Nanotech. 9, 92 (2014).
3.Shockley, W., Queisser, J. J. Appl. Phys. 32, 510–519 (1961).

責任編輯：Kerina Huang