研究人員稱，他們的太陽能電池組件厚度只有一微米（1μm），與其他同樣厚度的電池組件相比，可以更有效的將光轉(zhuǎn)化為電，為更容易的生產(chǎn)更清潔、更綠色的能源鋪平了道路。
超均勻無序模式
在美國化學(xué)學(xué)會《光子學(xué)》期刊發(fā)表的論文稱，通過關(guān)注超薄硅（約1微米）的吸收特性，團(tuán)隊證明了超均勻無序（HUD）模式可以帶來的輕量化、靈活、高效的強(qiáng)大光伏性能。
HUD模式由硅壁的二維網(wǎng)絡(luò)組成，類似于黑色蝴蝶翅膀中的底層蜂巢結(jié)構(gòu)。目前的3D納米光子硅片設(shè)計只能通過太陽能電池的阻抗匹配來防止光反射，但它無法擴(kuò)展光子吸收所需的、硅電池中的光路。
Surrey大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究所的Marian Florescu博士表示："使用硅材料的挑戰(zhàn)之一是，近三分之一的光會直接從硅上反射而不會被吸收，因此無法利用能量。穿過硅的紋理層有助于解決這個問題，我們的蜂窩設(shè)計無序但超均勻，取得了極大成功。”
超均勻無序介質(zhì)是各向同性的（在所有方向上都具有相同的性質(zhì)）并且具有約束隨機(jī)性。這樣，大尺度上的密度波動表現(xiàn)得更像有序固體波動。HUD是一種高度靈活的介質(zhì)，以獨特的方式控制光的傳輸、發(fā)射和吸收。
在這項研究中，研究小組在一塊1微米（∼1μm）厚的硅板上實現(xiàn)了光吸收，與沒有模式的硅板相比，當(dāng)使用優(yōu)化的HUD模式進(jìn)行紋理處理時，在400-1000納米的波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)了兩倍以上的光吸收。
所獲得的吸收水平是迄今為止在一微米厚的硅片上可取得的最高水平。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員采用了HUD模式的K空間設(shè)計（一組代表MR圖像空間頻率的數(shù)字陣列）方法，將HUD模式與定制的散射光譜和太陽輻照衍射耦合到硅板的引導(dǎo)模式中。
衍射是如何幫助光吸收的？
研究小組重點研究了納米結(jié)構(gòu)光捕獲和載流子重組之間的平衡。在調(diào)查中，他們發(fā)現(xiàn)，幾種優(yōu)化的HUD設(shè)計和最先進(jìn)的硅光伏技術(shù)可以獲得20%以上的效率。
團(tuán)隊在吸收器中使用衍射方法來增強(qiáng)對超薄光伏的光捕獲。吸收總量是由每個模式的耦合份額相加實現(xiàn)的。
為了最大限度的提高板坯中的陽光吸收，研究小組有效耦合了350納米-1100納米波長的松散模式。由于一微米硅板中存在多種模式，入射光的衍射范圍可以從~15微米-~20微米提升到1微米，確保所有光線都有一個耦合模式。
根據(jù)Delaunay tessellation協(xié)議（基本計算幾何結(jié)構(gòu)），團(tuán)隊使用200納米高的硅墻裝飾二維HUD點模式，形成一個連續(xù)的硅網(wǎng)絡(luò)。
然而，由于3D紋理嚴(yán)重破壞了硅板波長，兩相設(shè)計的光吸收不再被視為最佳狀態(tài)。研究人員隨后考慮了功率譜密度（PSD），即2D設(shè)計的傅里葉變換，以更好地表示散射強(qiáng)度。Delaunay tessellation協(xié)議使生成的3D網(wǎng)絡(luò)變得近乎超均勻。
通過墻網(wǎng)使用兩種材料裝飾點的模式，團(tuán)隊成功的在最薄的硅板中展示了光捕獲效應(yīng)。
在實驗室里，團(tuán)隊實現(xiàn)了26.3mA/cm2的吸收率，比2017年9.72 mA/cm2的此前記錄提升了25%。團(tuán)隊確保了21%的效率，預(yù)計進(jìn)一步的改進(jìn)會推動這一數(shù)字的提升，從而使效率明顯高于許多商業(yè)化光伏產(chǎn)品。
除了改善太陽能發(fā)電外，這一發(fā)現(xiàn)還可以使與光管理和表面工程至關(guān)重要的其他行業(yè)受益，如光電化學(xué)、固態(tài)光發(fā)射和光電探測器。
此前，來自ICFO、倫敦帝國理工學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的一個國際研究小組聲稱，已開發(fā)出一種新的無序設(shè)計技術(shù)來開發(fā)高效超薄太陽能電池。
