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太陽能轉換技術再突破—高效率金屬吸收體

2016/07/05 經濟部能源局 點閱人次: 635

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撰文/黃釋緯 圖片提供/Jia Zhu Group, Nanjing University

想到太陽能發電,人們腦中浮現一片藍海,但科學家卻希望太陽能板愈黑愈好,為什麼?中國大陸南京大學的朱嘉教授帶領團隊設計出目前最黑、超寬頻、高效率的金屬吸收體,在太陽能轉換技術上領先群雄,究竟如何做到?讓我們一窺其中奧妙。

太陽光熱電轉換的關鍵字:黑

我們常見的太陽能發電,其原理就是將太陽光轉換成電能,也就是大家常看到的太陽能板吸收太陽光,產生電子,並將之儲存在太陽能電池中。目前最普遍的材料是矽(Si),但是矽其實只能吸收約60%的太陽光進行光電轉換,其餘的40%雖然照射到矽表面,但是都被反射而無法利用。

因此,如何降低太陽光的反射以增加光的吸收率,是太陽能發展的重要技術課題。現行的方法是在生產太陽能板時,在矽表面塗上抗反射層,以降低陽光反射損失。反射率越低,就代表越多的光被吸收,轉換成的電能也越多。理論上,太陽能電池表面越黑,越不容易反射陽光,「黑色」的矽材料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。

黑矽(Black Silicon)就是解決上述課題的技術材料,但是黑矽有一個嚴重的問題:當太陽能板吸收陽光後,光子轉成電子後,電子在傳送過程產生很大的損失,芬蘭的阿爾托大學(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做為鈍化層,可以有效抑制電子在表面的損失和提高太陽能電池的效率。

奈米材料的研究方向:波長及角度

抗反射尚有2個重點,一是寬波段,二是廣角度。太陽光光譜從紫外光、可見光到紅外光,若要有效運用所有光線,就要使整個波段的反射率都很低,而材料的表面結構越細越小,反射率就越低、波段越寬。

鋁奈米直柱薄膜在不同尺寸薄膜有不同的吸收效果,且在膜與空氣間有很好的阻抗特性,此技術係把鋁合金放在酸性溶液中再外加陽極氧化處理的製程,以獲得多孔性氧化鋁膜,做為鋁合金的抗氧化層與著色的前處理,這是一種很傳統的防腐蝕方法。

近來因奈米結構研究的蓬勃發展,造成這種具有多孔性陣列奈米結構的氧化鋁膜再次受到重視。它利用電化學原理,控制操作參數在特定條件下,在鋁箔表面產生具有多孔性陣列的結構。它的特色是孔洞大小一致、空孔分布密度約從109/cm2 至 1,012/cm2,且具高度規則性。

媲美碳黑的高效率金屬吸收體

受到奈米結構和奈米光子學發展之啟發,及對於奈米結構的金屬吸收體研究熱潮,由中國大陸南京大學朱嘉教授帶領的中、美2國研究團隊,成功設計並製作出世界最黑的超寬頻、高效率金屬吸收體,其研究成果以《Self-assembly of Highly Efficient, Broadband Plasmonic Absorbers for Solar Steam Generation》為題發表於Science Advances期刊。

以往的金屬吸收體,無論是吸收頻寬、吸收效率還是製作工藝,仍離大規模應用有一段不小的距離。該研究團隊創新性地將氧化鋁多孔範本與金屬奈米顆粒自組裝技術結合起來,成功設計並製作出在400nm-10μm波段達到99%的光吸收效率的金屬吸收體,超過目前所有的金屬光吸收體材料,可以與現行最黑的碳奈米管陣列媲美,此一重要的突破,為未來大規模與應用露出曙光,將使太陽能發電應用更具經濟效益。


關鍵字:黑矽,氧化鋁膜,金屬吸收體,自組裝技術

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