2015-7-25

太阳能电池顾名思义就是把太阳光转成电能，不外乎追求吸收越多的太阳光及提高光电转换效率，我们这篇先谈到吸光部分。有越多太阳光被吸收，就能产生越多的电子。太阳能电池目前最普遍的材料是硅 (Si)，但硅本身对可见光有 40%左右的反射，也就是说照射到硅表面上的太阳光有 40%被直接弹回去，无法利用，因此在生产太阳能板射，会在硅表面制作抗反射层，降低反射的损失。反射率越低，就代表越多的光被吸收，转成的电能也越多。既然要把光都吸收，太阳能电池表面应该要越黑越好，但大家印象中的太阳能板都有点偏深蓝色，这是因为这种太阳能电池的抗反射层无法完全把蓝光的反射率降到接近 0，由于蓝光的反射率比其他颜色的光要高，所以看上去就会是深蓝色。因此要让太阳光能充分被利用，就要努力使材料表面几乎不反射，只吸收，颜色也当然会是黑色。「黑色」的硅就是工程师们努力的目标，一般来说要制作抗反射层，需要把硅表面蚀刻出微米甚至是奈米状的粗糙结构，结构越小越细，反射率就会越低。

这项技术本身并不难做到，黑硅 (black silicon)也早就被研发出来了，但黑硅有一个很严重的问题：当太阳能板照光，将光子转成电子后，电子在传送过程损失很大，硅的表面通常是让电子损失的主要途径，虽然黑硅可以吸收很多光，也能转换成很多电子，但是就是因为黑硅表面细小的奈米结构让表面积大幅增加，也就让更多的电子损失在表面。芬兰及西班牙学者共同发现利用原子层沉积 (Atomic Layer Deposition, ALD) 将氧化铝覆盖在黑硅表面作为钝化层，可以有效抑制电子在表面的损失，将黑硅太阳能电池的效率提高到 22.1%。抗反射有两个重点，一是宽波段，二是广角度。太阳光光谱从紫外光、可见光一路到红外光，如果能让这整个波段的反射率都很低，就能有效运用所有光线，如同前面所提到，抗反射的大原则就是表面结构越细越小，反射率就越低、波段越宽，这也是为什么黑硅可以这么「黑」的原因之一，这项研究中的黑硅在可见光的波段反射率都低于 1%，可以说几乎所有的光都被吸进去了；抗反射的另一个重点是广角度，因为太阳光不会一直从正上方照下来，从日出到日落，太阳几乎都是有角度的，绝大多数的材料，随着入射角变大，反射率也会急遽上升，造成太阳能电流下降。这项研究中的黑硅电池，在 60度入射角时电流只比垂直入射少 1%，效率几乎不会受到太阳照射角度影响。

Dirac电子使石墨烯具有非常宽的光吸收频谱，从可见光涵盖至红外光是一大特性，但石墨烯照光后的行为与一般半导体不同，而科学家尚未厘清其独特光响应背后的确切机制。最近，美国研究人员以石墨烯晶体管进行光导实验，发现其机制可归因于光伏 (photovoltaic)效应或辐射热 (bolometric)效应。在这之前，研究人员认为至少有五种机制与石墨烯的吸光行为相关，包含光伏效应、热电效应、辐射热效应、氧气光脱附以及光敏晶体管放大。最近，IBM的 TJ Watson研究中心 Phaedon Avouris等人藉由以石墨烯晶体管进行光导实验，发现其机制主要为光伏效应或辐射热效应。他们利用聚焦红外光雷射照射石墨烯晶体管，并以锁相技术测量光电流。实验中使用均匀石墨烯，而非过去研究中常用的石墨烯 p-n接面，因此能获得石墨烯的本质光响应。当石墨烯吸光时，所产生的电子电洞对会迅速与其他电子电洞发生交互作用，导致电子整体温度的上升。不过由于电子与碳晶格之间的耦合相当微弱，因此热能转移非常缓慢。Avouris表示，就是这些热电子形成石墨烯中的光伏电流，不过当晶格温度升高时，电子迁移率会跟着改变，并且形成方向相反的辐射热电流。在电子密度较低时，光伏效应为主要机制，而在高电子掺杂浓度时，则由辐射热电流主宰。研究人员发现改变背闸极电压可控制电子密度，进而能在两种光电流响应机制之间作切换。

石墨烯的光吸收机制为等离子 (plasmon)，而石墨烯的电子只能在二维平面上运动，等离子会在较低的频率产生。单层石墨烯单光子吸收系数是与入射光波长无关的常数 (6.8*10^7 m-1)，即单层石墨烯对入射光的吸收率为 2.3%，而在可见光区域，单层石墨烯的反射率要小于 0.1%，10层石墨烯的反射率也仅有 2%。反观，双层石墨烯单光子吸收比单层石墨烯的单光子还强，且随入射光波长呈分段式变化，当波长大于 3100 nm时，吸收系数为 2.1*10^8 m-1 (高一个数量级)。而石墨烯和金属纳米结构结合在一起，使其吸光能力增大到 20倍，就是利用一些金属的周期结构的表面等离子震荡将光束缚住表面，而石墨烯仅仅一层原子厚度，可以充分接触上方的产生等离子震荡的结构，从而利用被束缚在表面的光能，提高对光的吸收。这样一来不仅保留石墨烯原有的较宽的光吸收频谱，另一方面也能提高吸光能力，这对光催化后续的应用技术帮助不少。

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2015-7-27

奈米碳管黑体（Vantablack）是一种由奈米碳管制造，而且是目前已知最黑的物质，吸收最高达 99.965 %的可见光波段电磁辐射。此物质由垂直排列生成的奈米碳管组成。当光线入射奈米碳管黑体时几乎不会反射出去，而是会局限于管壁之中不断偏折，直到最后转换成热能为止。奈米碳管黑体同时增加了聚光太阳能热发电的热吸收率。我想结合奈米碳管黑体的光吸收及石墨烯光热或光电转换的双重性质，理论上对光热转换及光电转换的效率必定有所提升。

美国学者在 2008年就制出地球上最暗的材料（darkest material ），可以吸收 99.9％的光。在交通大学光电工程学系林尚佑（Shawn-Yu Lin），也是研究团队成员之一。这种材料以细小的奈米碳管组合而成，光线反射率超低，只有 0.045 ％，黑暗程度是目前世上最暗物质「镍磷合金」 （nickel-phosphorous alloy）的 3倍以上。相较之下，普通黑色颜料的光线反射率约在 5％到 10％之间，根本比不上这种奈米碳管组合。

林尚佑说，他们研发出的新奈米碳管组合，不只反射的光线超低，而且具有强大的吸收光线性质。Rice University 的 Pulickel Ajayan说，所有进入这种材料的光线，大概都会被吸收，它扩大了物质吸收光线的极限。这种材料可以用来转换太阳能，因为它可以把所有照射在它上面的光线收集起来。这种材料也可用于红外线侦测或天文观测。这种材料之所以这么暗，有三大原因。首先，它是以比发丝细小许多的奈米碳管组成，而碳能够吸收部分光线。其次，这些奈米碳管像一块草皮一样排排站立，这会形成捕捉光线的细小缝隙。最后，研究人员使这种材料的表面凹凸不平，大大降低其光线反射能力。研究人员只用可见光测试这种材料，现在他们还想用红外线、紫外线进行测试，也可能包括通讯系统使用的不同波长的辐射。如果能创造出能够阻挡这些辐射的材料，就可能有许多国防匿踪技术上的新应用。

而英国Surrey NanoSystems这家公司在 2014年费了九牛二虎之力已经开发出来，而Surrey NanoSystems最在行的正是低温原子沉积制程（low-temperature atomic deposition processes），所以很可能是利用原子层沉积（atomic layer deposition）或化学气相沉积（chemical vapor deposition）将奈米碳管沉积于铝箔基质上。