不同的半导体材料对光的吸收是不同的，这体现在对光的吸收率、电流导出情况，最重要的是吸收的波长。加州理工学院的哈里·阿特沃特教授别出心裁，他和研究团队开发了一种新式的太阳能电池。不同于只用一种材料的传统太阳能电池，这种新式太阳能电池将不同的半导体材料用在了一块电板上，并用分光器将太阳光分成好几份，分别让这些半导体材料吸收。阿特沃特教授甚至大胆断言，这种太阳能电池的转化效率能高达50%，这将是传统硅基太阳能电池转化效率的两倍以上。凭借这样的突破，这项技术成功入选《麻省理工科技评论》2013年度10大突破技术。这项三年前就提出的技术，到如今有怎样的发展呢？让我们走进加州理工应用物理实验室，看看阿特沃特教授的研究小组如何让太阳能设备的效率翻倍。
作者：迈克·奥克特（Mike Orcutt），杨一鸣
插画：约翰·麦克尼尔（John MacNe）
突破技术
控制光线，更好地利用太阳光中的能量。
为什么重要
更高效的太阳能可以对化石燃料形成更强大的竞争力。
主要创新者
-哈里·阿特沃特（Harry Atwater），加州理工学院
-阿尔伯特·波尔曼（Albert Polman），原子和分子物理学研究所（AMOLF）
-叶利·亚布隆诺维奇（Eli Yablonovitch），加州大学伯克利分校
-陶氏化学公司
加州理工学院坐落在美国加利福尼亚州洛杉矶东北郊的帕萨迪纳市（Pasadena），这是一所久负盛名的研究型院校，也是众多前沿科技的诞生地。今天要介绍的超高效太阳能技术也诞生于此，诞生于哈里·阿特沃特教授和他的研究团队的实验室里。哈里·阿特沃特教授的研究方向是超高效太阳能电池、等离子体（Plasma）和光学超材料（Optical Metamaterials）。他指导开发的超高效太阳能电池采用了多种半导体材料，并且将智能分光技术（Light Management）集成，希望用最优分配原理达到光能吸收的最大化。
三个臭皮匠的故事
太阳能电池是利用半导体吸收光产生电子空穴对的特性制成的吸收太阳能的器件，其核心就是半导体。具体来说，半导体内部的电子（和空穴）能吸收特定波长的光，越过能量“禁区”——禁带，成为可以导电的自由电子（和空穴），此时在其两端加电压就能将这一部分的电能导出来（如下图所示）。
而正是这个能量的禁区决定了半导体能吸收什么样的光。简单来说，每一种半导体都只能吸收某种波长的光即某种颜色的光，例如，砷化镓（GaAs）的禁带宽度为1.42eV，能吸收波长在880nm以下的光。具体来说，半导体材料对于光的吸收有着波长上的敏感性，对某一波段的光吸收比较多，而对另一些波段的光的吸收却很少。那么，如果能将不同的材料一起用在同一块太阳能电池上，并特别指定这些材料来吸收不同波长的光，理论上能实现对光的最大吸收，而以此原理为主导制造出来的太阳能光伏电池的效率一定很高。
其实，这样的想法——在太阳能电池中采用多种半导体堆叠的技术并不是阿特沃特教授的独创，现在的太阳能转换效率的世界纪录——44%——就是由这样的三层级联太阳能电池（Triple-junction Cells）保持的。这种太阳能电池由Solar Junction公司研制，已经经历了两代产品。该太阳能电池简单地将三层半导体堆叠在一起，一层一层地吸收光，就像一层一层地过滤水中的杂质一样。
即便有着超高的转换效率，它的商业应用也受很多方面的影响。首先，生产和制作多级半导体材料结构的过程十分复杂，无形中增加了成本，这是其成本硬伤。其次，因为各个半导体层呈级联结构，所以输出的电流在层与层之间保持一致。也就是说，如果A层的输出电流为0.5A，B层为0.2A，C层为0.1A，那么最后的输出电流就是0.1A——与最小值持平。这样，输出的电能往往达不到最大的效率，这也是这种级联结构的最大弊病。
阿特沃特教授及其团队没有采用这样的结构，而是有意将各个半导体太阳能电池分开，并且有序组合在一起，形成并联的层次，解决了“最小电流”输出的问题。但是如果将各个半导体太阳能电池分开，则不能方便地对入射光进行分割，这就必须加入新的元器件——分光器。而这就是阿特沃特教授及其团队能脱颖而出的核心技术——智能分光管理。
智能分光管理
其实，阿特沃特教授及其团队设计的太阳能电池也采用了多种半导体材料，希望能将光能最大化地吸收。有别于Solar Junction公司的太阳能电池，阿特沃特教授设计的太阳能电池采用了智能分光技术。这种分光技术能像棱镜一样有效地把阳光分成6 ～8个不同的波长组份——每个组份都会产生不同颜色的光，而且每一种颜色都会分散到专门对其进行吸收的半导体电池上。阿特沃特教授声称，采用了这种技术的太阳能电池的转化效率能达到50%以上。［1］
图1（a）太阳能电池中的热能损失
这位加州理工学院的材料科学和应用物理学教授表示，因为最近的一些进展，现在已经可以在极小的尺度上操纵光线。这也让提高太阳能板发电效率的目标变得可行。阿特沃特教授及其团队正致力于3种设计。第一种设计如下：他们用其中的一种半导体材料（如上页图所示）制造了原型产品。太阳光线被反射金属槽收集起来，并以一个特定的角度被导向一个由透明绝缘材料制成的结构。多种太阳能电池包裹在透明结构表面，每种电池都由6 到8 种不同的半导体中的一种制成。一旦光线进入材料，就会遇到一系列的薄滤光器，每片滤光器只允许一种颜色的光通过并照亮可以吸收它的电池。其他颜色的光线会被反射到允许它们通过的滤光器那里。
第二种设计应用了纳米级别的滤光器，可以过滤以任意角度射入的光线，其理想示意图如图1（b）所示。它能在光入射到半导体材料之前就将光分成好几份，然后再分配到各个小太阳能电池上去，这样也能达到高效的吸收。除此之外，这样的方法还有一个好处，就是能够降低太阳能电池吸收太阳能后的热量损失。其实，吸收太阳光和太阳能转换成电能是有很大区别的，图1（a）就向我们展示了价带中的电子对不同能量的光的3种不同的吸收状况。其中有入射光的能量达不到半导体材料的禁带宽度，不足以让它们变成自由电子的（右边棕线）；也有刚好能变成自由电子的情况（中间红线）；以及能量能使电子吸收并且最终能量远远超出导带最低点的情况（左边蓝线）。这种情况下，电子在变成自由电子之前，由于在移动前或者移动过程中一部分能量会以热能的形式流失，所以，半导体吸收的最理想波段就是刚好大于其禁带宽度的波段的光，如图1（b）所示。［2］
图1（b）智能分光策略及纳米分光器示意图
第三种设计使用全息成像（Hologram）技术取代滤光器来分割光谱。以上两种滤光手段都需要调整入射到太阳能电池的光的角度，而全息成像滤光器可以将滤过的光变换角度入射到相应的半导体太阳能电池上。这种滤光器一般由一种重铬酸明胶（Dichromated Gelatin）制成，十分轻便，而且它表现出来的反射散射损失很小。实验显示，使用全息成像滤光器的单结砷化镓和单结硅基太阳能电池都达到了很高的效率，分别是25.1%和19.7%。［3］
尽管设计不同，但是基本原理是一样的：结合传统的电池设计和光学技术来有效地利用光线的宽带波谱，尽可能减少浪费的能量。阿特沃特教授表示，现在还不清楚哪种设计的表现最好。但是他说，这些设想中的设备会比今天市场上的很多电子设备要简单，所以一旦有竞争力的原型产品制造出来并被优化以后，他很有信心让这些设备商业化。其实他还有另外一个身份，那就是阿尔塔设备公司（Alta Devices）的首席技术顾问，同时也是公司创始人之一。现在阿尔塔设备公司研制的单结（效率为 28.8%）和双结（效率为 30.8%）太阳能电池片，均创造了世界纪录，这些都有阿特沃特教授的思想注入。
阿尔塔设备公司也处于风口浪尖，在大批太阳能产业倒闭以及被并购的浪潮中，阿尔塔设备公司因为成本始终不能降下来，也未能幸免，2015年年初被汉能收购，这也是汉能收购的第四家太阳能公司。而阿特沃特教授也在寻求新的方向，例如，应用半导体或者金属的“表面等离子共振”（Surface Plasmon Resonance）原理，选择性地吸收特定波长的光。材料的表面等离子共振，简单来说，就是在满足一定条件时，特定波长的光会进入材料的表面，并且使得表面的电荷分布呈周期性的震荡。最简单的例子就是临界全反射，如图2（a）所示，光就在空气和玻璃的交界处传播。
图2（a）临界全反射示意图
以这样的原理吸收的光波长是特定的，而且可以根据材料表面的尺寸调整。最有利的一点是一旦条件满足，特定波长的光几乎会被完全吸收，如图2 （b）所示。该技术的核心思想就是利用材料的表面等离子共振选择性地吸收特定波长的光线，并且推广到各种材料。这样就省去了滤光和分光的步骤，直接在吸收的时候就已经完成。而且理论上这样的方法吸收的光也是最多的，但是问题就是如何将吸收的光能导出，阿特沃特教授在其发表于《Nature Materials》上的文章中也有所讨论。［4］
图2（b）表面等离子共振吸收表征，一般由反射光强度判定，图中的凹陷部分即是吸收得多的表现。
总的来说，太阳能的发展是很有前途的，毕竟牵涉到可持续发展和全世界都十分关心的能源问题。作为新能源的代表，太阳能技术也日益成熟，而且引入的技术可谓种类繁多。阿特沃特教授认为，让太阳能电池设计达到极高的效率只应是业界的初级目标，在目前，这是降低太阳能成本的“最佳手段”。因为太阳能板的价格在过去几年里直线下滑，所以持续把焦点放在制造廉价的太阳能板上不会对太阳能系统的整体成本产生什么影响。配线、施工以及与人工相关的花费目前占据了绝大部分的成本。让电池组件的效率更高意味着在产生同样电量的情况下，只需要安装更少的太阳能板，这样硬件和安装的成本将会大幅下降。阿特沃特教授说：“在几年的时间内，使用效率低于20% 的技术将会变得毫无意义。”