關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱我們的獲獎新聞，以支援我們的工作。 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
地球白天的一半在短短一個小時內接收到的太陽光足以滿足人類一整年的能源需求。遺憾的是，利用如此豐富且免費的太陽能來滿足人類能源需求存在幾個問題——其中最重要的是製造能夠廉價收集陽光能量的半導體材料的成本。但加州理工學院和IBM在材料方面的改進可能會降低太陽能的成本。
加州理工學院的研究生Michael Kelzenberg和其他材料科學家採用了垂直的矽晶體——像“草葉”一樣的微絲，Kelzenberg說——來捕獲高達85%的入射太陽光的全光譜，研究人員在2月14日的《自然材料》雜誌上報道。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）他們的效率幾乎與傳統矽晶片的效率一樣好，但他們僅需要此類晶片中百分之一的矽。
Kelzenberg說：“用百分之一的材料，我們已經使其吸收了96%的可見光峰值。有很多理由相信它可以擴充套件到製造薄膜太陽能電池。”
研究人員將矽片嵌入“魚缸材料”中，這是一種柔韌透明的矽酮塑膠，稱為聚二甲基矽氧烷。僅此一項就足以使這些棒有效地捕獲以一定角度入射的陽光。但是正午的直射陽光未能照射到足夠多的葉片，無法有效地啟動電子流動。因此，研究小組添加了氧化鋁奈米顆粒來反射和散射入射陽光，使其照射到更多的微絲。“我們可以接觸到導線的所有側壁，”Kelzenberg解釋說。“它產生了有趣的結幾何形狀，可以吸收光並收集電力。”
雖然尚未從新的微絲中生產出實際的太陽能電池，但是“如果你不能有效地吸收光，那麼你肯定不能有效地將其轉化為電力，”加州理工學院的化學家Nate Lewis指出，他也是該研究的參與者。矽片顯示出足夠的光吸收，使其成為“製造太陽能電池的有趣候選者”。
當然，薄膜矽太陽能電池已經存在，但是它們在吸收光或將其轉化為電能方面的效率一直難以與傳統矽光伏電池相媲美。新的矽微絲以較低的材料成本實現了類似的效率。“我們的目標是製造一種薄膜[太陽能]電池，其效率與普通晶片太陽能電池一樣，”Kelzenberg說。“我當然希望在未來幾年內看到這一目標實現。”
還有其他半導體材料可能像生產矽微絲一樣便宜。根據製造商First Solar的資料，由銅銦鎵硒（CIGS）或碲化鎘製成的薄膜光伏電池已經上市，其現場效率約為11％，價格低至每瓦1美元。但是，這兩種型別的電池均由稀有或昂貴的材料製成：碲很稀有，而銦很昂貴，因為它也用於平板電視。
然而，IBM的研究人員已經使用銅，鋅，錫，硒和硫的組合生產了一種類似的薄膜太陽能電池，這些材料都是相對豐富且廉價的材料。根據美國能源部位於科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室的測試，這種新型電池可以將9.6％的入射陽光轉化為電能。
IBM的材料科學家David Mitzi及其團隊在2月8日的《先進材料》中報道說，他們用鋅和錫代替了CIGS電池中的銦。日本的先前研究表明，這種“鋅錫硫硒”電池可以達到近7％的效率——不足以在現場部署（現場效率通常至少減半），但是前景廣闊。透過改變硫和硒的比例，Mitzi和他的同事們能夠將鋅錫硫硒太陽能電池的整體效率提高40％。“增加硫確實增加了裝置的開路電壓，”Mitzi說。“並且很明顯，這不僅限於低效率，”這意味著還有更多改進的空間。
IBM本身沒有製造這種鋅錫硫硒電池的計劃，而是傾向於許可這項技術。但是，該小組還在製造工藝方面取得了突破。典型的薄膜太陽能電池是透過在真空中以蒸汽形式沉積適用材料的一層而製成的，這既需要高能耗來汽化材料並維持真空，又需要進行密集的質量控制以最大程度地減少引入的缺陷。但是，IBM團隊將其大部分材料以顆粒和溶液的混合物形式沉積，就像使用由溶液中的銅和錫與鋅顆粒製成的鋅錫硫硒“墨水”進行印刷一樣。然後以蒸汽形式新增硫和/或硒。同樣，諸如XsunX之類的公司正在努力從計算機硬碟驅動器製造商等行業引進一些基於蒸汽的沉積改進，用於太陽能電池業務。
這兩種技術的最終好處可能是靈活性和成本——矽微絲和鋅錫硫硒電池都可以想象地製成各種柔性裝置，包括一些編織到織物中的裝置，Mitzi說。已經，陶氏化學和Global Solar已經建立了一種太陽能屋頂瓦，該屋頂瓦使用CIGS薄膜電池來發電。
但是，就目前而言——儘管屋頂和地面光伏面板的安裝正在蓬勃發展——太陽能發電僅佔美國電力需求的約0.1％。新的薄膜技術旨在以較低的成本提高這一比例。“除非太陽能的成本能夠與傳統的碳基能源競爭，否則它不會起飛，”Mitzi說。太陽能“產量正在接近千兆瓦級。但是，如果人們真的希望太陽能起飛並解決世界範圍內的大規模能源問題，則需要將其提高几個數量級。”