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表面等离子体助力太阳能电池提效

作者: 来源:综合报道 发布时间:2012-02-29 浏览:
     中国储能网讯:为了进一步降低太阳能发电成本,人们试图用有机物光电材料来代替硅基材料。这样既摆脱了昂贵的材料,也免去了电池制作工艺中的高温高压环节,大大节省了制造能耗,降低了成本。有机太阳能电池的另外一个优点就是原料可以溶解,所以可以采用新的卷轴式(Roll to Roll)生产方法来生产此种电池。这种方式,太阳能电池将会以类似轮轴印刷的方式来制造,不同的材料层会被依次“印”在衬底上,数次之后,电池的结构将会被制作出来,然后进行封装。这种制造工艺的成本会大大降低,且产量会大幅度提高。同时,可以将电池制作在柔性沉底上以减轻重量。所以有机太阳能电池非常适用于屋顶、墙体外侧,甚至遮阳棚等载体上。


  简要地说,有机太阳能电池的原理和薄膜硅太阳能电池一样,其产生并且分离负电荷的工作层大约厚200-300纳米。这么一个薄层的有机物光电材料,很难吸收太阳光,因为大部分光能会透过电池,不能被转化为电能。如果增加工作层的厚度,分离的正负电荷又倾向于在移动过程中重新合并,难以到达两侧电极。这个难题常常让研究人员感到束手无策,直到最近一种新的解决方法被提出来:利用表面等离子体来提高电池对于光能的捕捉和吸收。
 
  当一束光照射到金属纳米颗粒上时,与光的波长相比,颗粒的尺寸要小得多,所以金属纳米颗粒的电子将会随着光波的振动而发生位移,造成电子云的往复偏移,这样电子就得到了一部分光能,同时也能够将光线束缚在自身结构周围内。也就是说,金属纳米颗粒以及纳米结构,可以很好地束缚、增强,并且限制光能的传播。
 
  基于这个原理,我们可以在有机太阳能电池的工作层中间做出多种纳米级金属结构,通过光和纳米结构的相互作用,来促进光能的吸收和转化。
 
  我所在的实验室正在进行的研究包括,怎么采用自主装的方式来快速、低价地合成较大尺寸的纳米级金属结构,以捕获光能。经过研究,目前有几种结构已经得到了验证。如a所示,在表层嵌入纳米颗粒,这样光线就会广泛地散射,而不是直接透过电池。所以光线会在电池中往复折返数次,提高了光吸收的比例。在图b中,在中间界面嵌入纳米颗粒,光线入射到这层纳米颗粒中间时,就会被它们束缚住,不再会穿过电池,所以光线就被困在了电池内部,大大提高了吸收效率。另外图c中:在底层制作出纳米尺度的金属光栅结构,这样入射的光线将会被金属光栅结构束缚在表面,光线只能沿着光栅方向传播而不是直接从背面出射,这样增加了光线在电池内部的传播距离,所以提高了吸收和转化为电能的效率。
 
  总体上讲,金属纳米颗粒的使用,使得入射的阳光更广泛地分散,以使更多的光线进入太阳能电池。同时,不同大小和材质的微粒可以捕获更多的波长范围的光能,并且用以产生电能。这样就大大提高了有机太阳能电池的发电效率,进一步将它推向大规模的应用。(作者为比利时鲁汶大学化学系博士生  苏亮)
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关键字:表面 等离子体 太阳能电池

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