眾所周知，太陽能的科學利用是解決當前嚴峻的能源危機和環(huán)境問題的有效途徑之一，因而成為各國科學家研究的一個熱點。在各種能源轉(zhuǎn)化形式中，電能具有使用方便、易于輸送等優(yōu)勢，因此光電轉(zhuǎn)換一直是一種主要的太陽能利用方式。太陽能的高效利用可通過擴大吸光范圍和提高轉(zhuǎn)換效率等來實現(xiàn)，然而目前大多數(shù)光伏器件都是工作在可見光波段，在太陽光中占比52%的近紅外光卻沒有得到有效利用。正因為此，增強光電器件在近紅外區(qū)域的太陽光吸收和利用，便成為一個關鍵科學問題。
針對該問題，中國科學技術大學熊宇杰教授課題組巧妙利用金屬納米結構等離激元的熱電子注入機制，基于半導體硅材料設計了一種可在近紅外區(qū)域進行光電轉(zhuǎn)換且具有力學柔性的光伏器件。該研究成果發(fā)表在ANGEWANDTECHEMIE-INTERNATIONALEDITION[55,4577-4581(2016)]上，并被該刊評為重要論文。
研究人員基于課題組此前已作研究的半導體-金屬界面上的熱載流子注入效應(Angew.Chem.Int.Ed.53,3204(2014);Adv.Mater.27,3444(2015))，將具有近紅外等離激元吸收帶的銀納米片分別引入無機-有機雜化和肖特基型光伏器件中。在近紅外光照下，等離激元效應產(chǎn)生的熱電子可以直接注入到單晶硅的導帶中，能有效提高近紅外光區(qū)光電轉(zhuǎn)換性能。以波長為800nm的近紅外光為例，引入銀納米片后，器件的外量子效率由24.2%提高到38.4%，得到了59%的增強。
圖1基于等離激元熱電子注入效應的近紅外柔性太陽能電池
另外值得一提的是，這一工作實現(xiàn)了“自上而下”的微加工技術和“自下而上”的組裝技術的有效結合。該課題組首先采用濕法刻蝕方法制備出硅納米線陣列，然后采用滴注方式將含銀納米片的懸浮液引入硅納米線陣列中。以此種方法制造出的太陽能電池不僅具有了良好的近紅外吸收效率，而且還擁有了一定的柔性。這使得其可以折疊、卷曲、粘貼等方式附著在曲面上(如汽車玻璃、屋頂、衣服等)，因而極大地擴展了應用空間。
該研究提出了新的界面工程思路，推動了熱電子注入機制的應用，將拓展人們對能源轉(zhuǎn)化中電子運動“微觀引擎”的控制能力。
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