【尖端科技】全黑色的太陽能板

■大家印象中的太陽能板應該都偏深藍色吧,可是黑漆漆的太陽能板可能才是最有效率的。

Credit: Aalto University
Credit: Aalto University

撰文|方程毅

太陽能電池顧名思義就是把太陽光轉成電能,有越多太陽光被吸收,就能產生越多的電子。太陽能電池目前最普遍的材料是矽(Si),但矽本身對可見光有40%左右的反射,也就是說照射到矽表面上的太陽光有40%被直接彈回去,無法利用,因此在生產太陽能板射,會在矽表面製作抗反射層,降低反射的損失。反射率越低,就代表越多的光被矽吸收,轉成的電能也越多。

既然要把光都吸收,太陽能電池表面應該要越黑越好,但大家印象中的太陽能板都有點偏深藍色,這是因為這種太陽能電池的抗反射層無法完全把藍光的反射率降到接近0,由於藍光的反射率比其他顏色的光要高,所以看上去就會是深藍色。因此要讓太陽光能充分被利用,就要努力使材料表面幾乎不反射,只吸收,顏色也當然會是黑色。「黑色」的矽就是工程師們努力的目標,一般來說要製作抗反射層,需要把矽表面蝕刻出微米甚至是奈米狀的粗糙結構,結構越小越細,反射率就會越低。

這項技術本身並不難做到,黑矽(black silicon)也早就被研發出來了,但黑矽有一個很嚴重的問題:當太陽能板照光,將光子轉成電子後,電子在傳送過程損失很大,矽的表面通常是讓電子損失的主要途徑,雖然黑矽可以吸收很多光,也能轉換成很多電子,但是就是因為黑矽表面細小的奈米結構讓表面積大幅增加,也就讓更多的電子損失在表面。位於芬蘭的阿爾託大學(Aalto University)及西班牙加泰羅尼亞理工大學(Polytechnic University of Catalonia)共同發現利用原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)將氧化鋁覆蓋在黑矽表面作為鈍化層,可以有效抑制電子在表面的損失,將黑矽太陽能電池的效率提高到22.1%,這項研究被發表在《自然奈米科技》 (Nature Nanotechnology) 上。

黑矽與傳統的深藍色的太陽能電池不同的地方在於,傳統矽太陽電池是利用鹼液(通常是鹼金族的氫氧化物),將矽表面蝕刻出類似金字塔的微米結構;而黑矽是利用反應離子刻蝕(Reactive-Ion Etching, RIE)在表面蝕刻出奈米等級的小結構。利用鹼液蝕刻出來的結構尺度較大,抗反射效果比較差,而且蝕刻過程損失的矽也比較多;而利用反應離子刻蝕不僅結構小,損失掉的矽也比較少,抗反射效果也比較好。

抗反射有兩個重點,一是寬波段,二是廣角度。太陽光光譜從紫外光、可見光一路到紅外光,如果能讓這整個波段的反射率都很低,就能有效運用所有光線,如同前面所提到,抗反射的大原則就是表面結構越細越小,反射率就越低、波段越寬,這也是為什麼黑矽可以這麼「黑」的原因之一,這項研究中的黑矽在可見光的波段反射率都低於1%,可以說幾乎所有的光都被吸進去了;抗反射的另一個重點是廣角度,因為太陽光不會一直從正上方照下來,從日出到日落,太陽幾乎都是有角度的,絕大多數的材料,隨著入射角變大,反射率也會急遽上升,造成太陽能電流下降。這項研究中的黑矽電池,在60度入射角時電流只比垂直入射少1%,效率幾乎不會受到太陽照射角度影響。主持這項研究的Hele Savin教授表示:「這對身在北歐的我們尤其重要,大部分時間太陽都是用很低的角度入射。」

他們所發表的這項研究將黑矽太陽能電池的效率從18.2%推升到22.1%,可別小看這3.9%差距,在太陽能電池領域,提升1%都是大新聞了,更何況3.9%。目前黑矽太陽能電池尚未商業化,所以在路上還看不到這種黑黑的太陽能板,參與這項研究的研究員Pablo Ortega表示:「大概再過三四年,我們就可以看到黑矽的太陽能板出現在市場上並運用在工業界了。」

原始論文:Savin, Hele, Päivikki Repo, Guillaume von Gastrow, Pablo Ortega, Eric Calle, Moises Garín, and Ramon Alcubilla. "Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency." Nature nanotechnology (2015).

參考資料:

  1. Researchers create solar cells with record energy performance.
  2. Efficiency record for black silicon solar cells jumps to 22.1 percent.
  3. Efficiency record for black silicon solar cells jumps to 22.1%.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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