他們在納米尺度上研究如何“管理光”，設(shè)計(jì)更巧妙的架構(gòu)，能使光伏電池的效率有一個(gè)質(zhì)的飛躍?！堵槭±砉た萍紕?chuàng)業(yè)》雜志將這項(xiàng)技術(shù)列為“2013十項(xiàng)突破性技術(shù)”之一。
更有效地“管理光”
太陽能產(chǎn)生電力，是因?yàn)閬碜蕴柕墓庾幼矒綦姵貎?nèi)的半導(dǎo)體材料，光子的能量敲松材料中的電子，使電子自由流動(dòng)。
傳統(tǒng)的太陽能電池通常是100微米厚，或者更厚，由單一的半導(dǎo)體材料組成，通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太陽光譜，通常也只能轉(zhuǎn)換不到20%的能量為電能，絕大部分陽光的能量都以熱能形式散失了。自1961年以來，科學(xué)家已經(jīng)知道，在理想條件下，陽光照射到單個(gè)p-n結(jié)晶體太陽能電池上，產(chǎn)生的電能數(shù)量有一個(gè)限度。這個(gè)絕對限度，從理論上說大約是33.5%。這意味著，最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收，并轉(zhuǎn)換成有用的電能。目前，Sunpower公司最好的單個(gè)p-n結(jié)晶體硅電池效率為24%，阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司阿爾塔設(shè)備（AltaDevices）的砷化鎵太陽能電池最高的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到27.6%。如果將半導(dǎo)體材料堆疊起來能使轉(zhuǎn)化效率大幅提高。無限p-n結(jié)晶體太陽能電池在聚光下的理論效率極限是86%。現(xiàn)實(shí)中，SolarJunction公司的三節(jié)電池在947倍聚光下的光電轉(zhuǎn)化效率為44%。但串聯(lián)意味著在生產(chǎn)電池時(shí)，大量人力物力財(cái)力消耗在元件的疊加和制作緩沖層上，也意味著電池沒法做得很薄。
為了降低成本，也因?yàn)橛猛靖訌V泛，研究人員一直在尋求制備更薄的太陽能電池的辦法。“薄膜電池”能與建筑完美結(jié)合，也更容易集成在日常用品里，如背包、帳篷、救生衣，甚至電子產(chǎn)品里。然而，較薄的太陽能電池只能吸收較少的光線，意味著不能產(chǎn)生同樣多的電力。阿特沃特和他的同事們想到了一個(gè)解決方案。
他們求助于一種奇特的光學(xué)效應(yīng)，稱為光學(xué)諧振（opticalresonance）。
正如無線電天線會(huì)諧振并吸收特定的無線電波，納米光學(xué)天線也可以諧振并吸收特定波長的光。
他們利用這種效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種薄薄的納米楔形結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)吸光能力很強(qiáng)，能吸收70%的廣譜光線。它像一個(gè)棱鏡，將太陽光分解成6-8個(gè)不同波長的部分，每一束光顏色各不相同，但每一束光都能被不同的半導(dǎo)體面板吸收。
他們利用這個(gè)理念設(shè)計(jì)出三種結(jié)構(gòu)，上述這一種已經(jīng)做出原型。太陽光經(jīng)由一塊金屬板反射并從一個(gè)獨(dú)特的角度進(jìn)入這個(gè)特殊結(jié)構(gòu)。它由一種透明絕緣材料制成。材料表面的涂層是多個(gè)薄膜太陽能電池，由6-8種不同的半導(dǎo)體材料組成。一旦光進(jìn)入材料，它會(huì)遇到一系列很薄的光學(xué)過濾器。
每一個(gè)過濾器只會(huì)讓特定顏色的光通過，被特定的電池吸收，剩下的依次過濾，依次吸收。
另兩種盡管設(shè)計(jì)不同，基本的思想是一致的：那就是將傳統(tǒng)的電池和光學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，更有效地利用更廣的光譜，減少能源浪費(fèi)。
引入光學(xué)元件的未來光伏電池
阿特沃特說，目前還不清楚哪一種設(shè)計(jì)最好，他們設(shè)想中的這種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率至少能達(dá)到50%，且利用光學(xué)元件把光聚攏，會(huì)減少半導(dǎo)體元件的使用，降低成本。但生產(chǎn)這種太陽能電池需要復(fù)雜、精確的工藝，他自己也認(rèn)為，所增加的加工成本，可以和汽車LED燈相提并論。
去年底，他的課題組獲得了來自美國能源部先進(jìn)能源計(jì)劃署（ARPA-E）的240萬美元科研經(jīng)費(fèi)，用以開發(fā)超高光伏轉(zhuǎn)化效率（50%-70%）的太陽能光伏系統(tǒng)。
《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》分析，通過設(shè)計(jì)提高光電轉(zhuǎn)換效率是降低成本的最好途徑。在過去幾年里，太陽能電池板的價(jià)格直線下降，電池板的價(jià)格對降低整個(gè)系統(tǒng)的成本已經(jīng)沒有太大意義，太陽能系統(tǒng)的相關(guān)費(fèi)用比如布線、土地、許可等費(fèi)用現(xiàn)在反而是大頭。提高每一個(gè)太陽能電池的效率意味著只需要比原來少的面板就能生產(chǎn)相同的電，硬件和安裝成本即可大大降低。
太陽能產(chǎn)業(yè)目前進(jìn)入了整合期，給新技術(shù)的更新?lián)Q代創(chuàng)造了機(jī)遇。硅谷大佬們熱衷的事業(yè)，電動(dòng)汽車，民用航天器，五花八門的消費(fèi)電子設(shè)備都對太陽能技術(shù)給予厚望。
經(jīng)歷了硅基電池、薄膜電池，新一代的太陽能技術(shù)，核心是聚光?，F(xiàn)在已經(jīng)商用的一種聚光技術(shù)電池，和阿特沃特的思路類似，通過采用跟蹤太陽、聚光的技術(shù)，用鏡子、反射鏡或者透射鏡把光聚攏起來，聚到某一塊光電池上面，使發(fā)電量增加。這樣可以用成本比較低廉的光學(xué)聚光元件，取代和減少使用成本更為昂貴的半導(dǎo)體材料。目前，效率最高的是砷化鎵光電池。一家面向聚光光伏市場開發(fā)高效率多接面太陽能電池的硅谷公司SolarJunction與全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體晶圓供應(yīng)商IQE正在與歐洲航天局協(xié)商開發(fā)基于這種技術(shù)的下一代衛(wèi)星太陽能電池。
阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司“阿爾塔設(shè)備”也是一家硅谷太陽能公司，一直在致力于提高電池板的光電轉(zhuǎn)化效率，即便上述新技術(shù)商業(yè)化還有距離，他們也擁有全球能效最高、最薄且柔性最佳的砷化鎵薄膜太陽能電池技術(shù)。因?yàn)檫@種太陽能薄膜可以無縫融入任何最終的電子產(chǎn)品，受到無人機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、遙勘等領(lǐng)域的青睞。目前，美軍已經(jīng)采用了阿爾塔設(shè)備公司的太陽能電池，這是世界上最輕且效率最高的，小巧的兩張A4紙大小的電池板可以產(chǎn)生10瓦電力。
蘋果也設(shè)想過柔性太陽能薄膜電池在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用。今年初，媒體報(bào)道蘋果公司注冊了一項(xiàng)太陽能多點(diǎn)觸摸面板技術(shù)的專利，這種屏幕技術(shù)繼承了太陽能電池面板、多點(diǎn)觸摸傳感器以及光線傳感器，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并通過手機(jī)內(nèi)部的能源管理單元把產(chǎn)生的電能儲存進(jìn)電池，從而為移動(dòng)設(shè)備提供更長的續(xù)航時(shí)間。
不過以目前的光電轉(zhuǎn)化效率，依賴太陽能為手機(jī)充電效率太低，法國一家公司W(wǎng)ysips在2013年初推出的薄膜充電產(chǎn)品，光照10分鐘只能接聽2分鐘電話。
