光子晶體能增加太陽電池效能

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl904017t
http://ithelp.ithome.com.tw/question/10046163?tag=ithome.nq

英國和德國科學家最近發展出一種新方法，可來製作包含三維光子晶體的染料敏化太陽電池(dye- sensitized solar cell)。雖然這類元件還無法與目前市場上最先進的太陽電池競爭，但它們可以用來研究光子晶體如何影響弱吸收材料的收光能力(light harvesting capability)，因此將有助於設計出更複雜的光伏系統。

光子晶體是折射率呈週期變化的奈米結構，在部份波段具有光子能隙，影響光子的傳遞，造成某些波長範圍的光可以通過光子晶體，而其它範圍的光則被反射。

目前大多數太陽電池是以矽為活性材料，但效果並不理想，原因是矽需要盡可能的薄，但越薄吸收的光子越少，被轉換成電的光子也更少，結果導致電池效率降低。於是光子晶體能將未吸收的光子重新導向回至矽的潛力，就倍顯重要了。

光子晶體層可以像金屬般直接貼附在太陽電池的背面，目前傳統太陽電池最常貼的是鋁，而光子晶體不僅比鋁反射更多光，繞射後的光會以更小的角度重新進入矽。低角度可防止光逃離矽，增加光被吸收與轉換成電的機會。

劍橋大學的Nicolas Tétreault等人與在慕尼黑科技大學的合作者提出一個新方法，將三維光子晶體並列覆蓋在底層介孔性(mesoporous)二氧化鈦上。以往科學家很難研究光子晶體如何影響太陽電池的功能，因為產生三維光子晶體的化學氣相沉積步驟會堵塞底下介孔。

Tétreault等人先在導電基板上旋鍍一層高分子嵌段共聚物(block-copolymer)及二氧化鈦奈米粒子接著在上面以滲透入二氧化鈦的聚合物微球自組裝成三維光子晶體。在退火處理時，孔洞會形成，而上下兩層的聚合物都會被移除，於是在孔洞底層上方產生三維光子晶體結構。這項技術使孔洞與光子晶體相連。

研究人員表示，他們確實觀察到光子晶體在相鄰介孔層引起的局部共振效應。雖然先前已經有理論預測這種效應，但實驗上還是第一次觀察到。上述太陽電池雖非目前市售產品的對手，不過研究人員現在以經能研究光子晶體如何影響弱吸收材料的收光，而且此概念可以推廣應用至其它光伏技術上。該團隊目前正在研究底層厚度增加對何局部共振的影響。

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