新一代太阳能电池及超电容器件

       能源和环境问题已经非常突出，开发资源节约型、环境友好型能源是可持续发展亟待解决的重大课题。随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，太阳这颗恒星再次进入人们的视野。尽管太阳能是公认的取之不尽、用之不竭的理想清洁能源，遗憾的是人类在日常生活中对太阳能的可控利用仍仅占世界能源的0.1%。传统的太阳能电池在转换效率上存在Shockley-Queisser瓶颈，难以进一步提高它的效率；而电池制备成本也因半导体材料的价格和耗材量难以下降。近年来，表面等离激元（图一(a)和(b)）和纳米棒阵列(图一(c))成为提高太阳能电池的效率和降低成本的两大高科技手段（见图一）。

图一 太阳能电池技术

1.表面等离子体增强型太阳能电池

       表面等离激元是存在与两种材料交界面的光子与电子的耦合模式即电磁表面波，其原理示意图如图二所示。产生表面等离激元需要构造各种金属纳米构型即等离激元透镜（见图三）。等离激元透镜有选波（见图四）光聚焦、场增强等独特性能，用于硅基太阳能电池，有望突破Schockley-Queisser局限。

图二 表面等离激元原理示意图        图三 等离激元透镜硅电池图：（左）金属孔洞 （右）金属三角点阵太阳能电池

具有不同周期的空洞阵列，具备频谱选择效应。下图为白光通过两种周期的孔阵列后，被过滤为红光和绿光。

图四（a） 等离激元透镜的选波效应示意图之侧视图  图四（b） 等离激元透镜的选波效应示意图之俯视图，其入射光为 

         摘自van Hulst, N. F. (2008). Nature Photonics 2(3)]    白光[摘自Genet, C. and T. Ebbesen (2007). Nature 445(7123)]

        底电极光栅（金属）具有具有光波导（见图五）效应、可以把光从垂直方向转为水平方向传播，从而极大减少硅电池原料的使用，最终降低电池成本。我们实验室联合其他科研小组，分别从理论机制和实验技术上彻底变革。通过对发生在光电转换过程中的一些基本物理化学过程进行全面、深入的认识和理解，进而最大限度地对产生光电转换的系统实行优化设计，期望开发出“物美价廉”的新一代硅基太阳能电池。

图五 太阳能电池底电极光栅示意图

图六 银纳米等离子透镜：(a)局部电场及(b)透过阳光后的吸收谱（FDTD模拟结果）

2、硅纳米棒太阳能电池

       硅纳米棒阵列做成径向PN结（见图六）后，不但可以提高电池的比表面积，还可以减少光生载流子的扩散长度从而减少其复合概率，进而提高电池的光电转换效率。ZnO纳米花-茎结构有着很大的比表面积以及良好的载流子迁移率，其量子点敏化电池可达到8%以上的转化效率。在ZnO纳米棒结构的侧面结合Ag纳米颗粒，也有助于提高载流子的输出效率。

图七 （上左）纳米棒阵列太阳能电池，（上右）ZnO/QDs复合纳米花量子点敏化太阳能电池，（下）ZnO@SiO2/Ag结构光伏器件(a)及I-V曲线(b)。

3.超电容器件

(a)超级电容器SC原理：通过不同价位离子之间的相互转换而实现电子 迁移及储能；(b)-(c)基于多孔镍- RuxNi1-xCo2O4纳米星的SC；(d)充 放电曲线。比电容最高值达2341F/g。

总结与展望

       总之，在理论方面，通过对新型功能材料微观量子态的精确设计与调控来优化与增强宏观尺度上的能量输出。实验方面，引入原子层沉积技术，在纳米量级上对材料进行精确调控，结合纳米金属结构产生的等离激元吸收与散射增强效应、径向PN节来提升太阳电池光电转换效率。展望未来，这方面的研究将在世界级的能源大业中留下浓重的一笔。