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帕萨迪娜，加州（PASADENA,Calif.）——通过将细长的硅线阵列（siliconwire array）嵌入聚合物基板中，加州理工学院（Caltech）的一个研究团队已经研制出一种新型的、柔韧的太阳能电池，这种太阳能电池提高了吸收太阳光的效率，并且能够高效率地将吸收的光转化成电能。这种太阳能电池仅需使用传统太阳能电池所需昂贵半导体材料（semiconductor material）的一部分，就可提高吸收和转化效率。

“这些太阳能电池首次打破了能够吸收阳光的材料的传统光捕获（light-trapping）极限，” 霍华德·休斯教授（Howard Hughes Professor）哈里·阿特沃特（Harry Atwater）说。他是应用物理与材料科学教授，同时也是加州理工学院雷斯尼克研究所（Resnick Institute）的主管，该研究所致力于可持续发展研究（sustainability research）。

一种材料的光捕获极限取决于它能够吸收多少的阳光。这种硅线阵列能够吸收高达96%的单一波长的入射阳光，以及全部可收集的阳光的85%。“我们已经超越了之前为捕获阳光而研制的光学微结构，”他说。

这是一个嵌入透明柔韧的聚合物薄膜中的硅线阵列的显微图。

阿特沃特及其同事——包括加州理工学院的乔治·阿吉罗斯教授（the George L. ArgyrosProfessor）、化学教授内森·刘易斯（NathanLewis），以及研究生迈克尔·金森伯格（Michael Kelzenberg）——在2月14日发表于《自然材料》（Nature Materials）杂志网络版的论文里，评估了这种阵列的能力。

阿特沃特提到这种太阳能电池所提高的吸收率是“有效的吸收”。

“许多材料能够很好地吸收阳光，但是无法转化成电能，比如黑色涂料，”他解释说。“对太阳能电池而言更重要的是，吸收的阳光能否制造出电荷载子（charge carrier）。”

阿特沃特及其同事研制的这种硅线阵列能够将它们所吸收光的90%至{bfb}转化成电能——从技术的角度讲，这种阵列拥有几近xx的内部量子效率（internal quantum efficiency）。“高吸收率加上良好的转化能力造就了高质量的太阳能电池，”阿特沃特说。“这是一个重要的进步。”

这种太阳能电池成功的关键是它们的硅线，每一根硅线，阿特沃特说，“都是一个独立的高效率、高质量的小型太阳能电池。”然而，当将这些独立的硅线聚集在一个阵列里，它们变得更加有效率，因为它们的相互作用增加了电池吸收光的能力。

“光进入每一根硅线，同时当一部分光被吸收时，另一部分光又发生了散射（进入硅线）。这种硅线之间的集体散射联合作用使得阵列具有非常强的吸收率，”他说。

即使阵列里硅线比较稀疏时，这种效应也能发生——因为硅线阵列只占到电池表面积的2%至10%。

这是用来优化嵌入聚合物中的硅线阵列的吸收率的光捕获部分示意图。

“当我们首次考虑硅线阵列太阳能电池时，我们设想在硅线与硅线之间的空间，阳光将会被浪费，”金森伯格解释说。“所以我们最初的计划是尽可能将硅线设置在一起，越近越好。但是当我们开始确定它们的吸收率时，我们意识到仅硅线包装部分就能吸收比预测量更多的光。通过发展相对稀疏的硅线阵列情况下的光捕获技术，我们不仅获得了适当的吸收率，同时也显现出高效率的光浓缩能力——这是已存在的对进一步提高硅线阵列太阳能电池效率的展望。”

每根硅线的长度在30至100微米（micron）之间，直径仅为1微米。“阵列的整个厚度等于硅线的长度，”阿特沃特提到。“但是从面积或者体积的角度来讲，硅线中的硅仅占2%，其他98%都是聚合物。”

换言之，当这些阵列具有传统晶体硅太阳能电池（crystallinesolar cell）的厚度时，它们的体积相当于两微米厚的薄膜的体积。

由于硅材料是传统太阳能电池中一种很昂贵的成分，所以一种只需要1/50这种半导体材料的太阳能电池投入生产将更加便宜。

这些太阳能电池所具有的混合性质意味着，它们同时也具有很好的柔韧性，阿特沃特补充道。“使这些薄板材料变得xx柔软最终将十分重要，”他说，“因为柔韧的薄膜能够被制造成一卷一卷的，这是一个固有成本更低的加工过程，仅需要脆晶片（brittle wafer），像制造传统太阳能电池所需要的那样。”

阿特沃特、刘易斯以及他们的同事在更早之前就表示，制造这种创新的太阳能电池是可能的。“它们很具有视觉上的吸引力，”阿特沃特说。“但是现在我们能够显示它们同时具有高效率的电荷载子聚集能力和很高的吸收率时，这就不只是像草图一样的视觉冲击力了。”

下一步，阿特沃特说，将是增加这种太阳能电池的工作电压（operatingvoltage）与总体规模。“我们已经制造的结构只是平方厘米（square centimeter）级的，”他解释说。“我们现在正在增加它们的尺寸以使它们达到几百平方厘米——这是正常电池的尺寸大小。”

阿特沃特说他的团队已经“处在这个进程中”，来表明大体积的太阳能电池能够像这些小型版本的电池一样良好工作。

除阿特沃特、刘易斯和金森伯格以外，这篇发表在《自然材料》的研究（“作为光电领域的一项应用，提高了硅线阵列中的吸收率和电荷载子聚集能力”）的所有加州理工学院的合著者，还包括博士后研究人员香农·伯特舍（Shannon Boettcher）和 乔舒亚·斯珀吉翁（Joshua Spurgeon），还有本科生Jan Petykiewicz，研究生丹尼尔·特纳-埃文斯（Daniel Turner-Evans）、摩根·普特南（Morgan Putnam）、艾米莉·沃伦（Emily Warren）和瑞安·布里格斯（Ryan Briggs）。

他们的研究得到了英国石油公司（BP）和能源前沿研究中心（the Energy FrontierResearch Center）的能源部项目（programof the Department of Energy）的资助，同时使用了材料科学与工程中心（Center for Science and Engineering of Materials）——一个设立在加州理工学院的国家科学基金会材料科学研究与工程中心（NationalScience Foundation Materials Research Science and Engineering Center）提供的设备。此外，博士后伯特舍还受到加州理工学院科维理纳米科学研究所（KavliNanoscience Institute）的奖学金支持。

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