太陽能電池 向蛾眼看齊

記者王永和整理報導 |2008.08.15
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太陽能取之不盡,是極好的可再生能源,但太陽能的取用卻存在不少難處,其中之一是太陽能電池的效率太低。太陽能電池效率差的原因之一,是目前用於太陽能電池的抗反射塗層的矽,會反射近3分之1的太陽光,從而影響太陽能的吸收與運用。

不過,這個難處現在已有解決之道。科學家向動物取經,從飛蛾眼睛的結構得到靈感,希望讓更多陽光被吸收,而不是被反射,平白浪費能源。

光線碰到物體會反射,為避免陽光反射,在太陽能電池上會有一層抗反射塗層,但在超越一個狹隘的範圍後,其抗反射作用就不怎麼有效率了。美國佛羅里達華裔科學家Peng Jiang說,太陽光的波長介於400至1400奈米(nm)之間,當前技術最理想的效率是在600nm附近的波長上運作;如果低於500nm或高於800nm,反射就會開始增加。

許多夜行性的飛蛾在夜間飛行時,為了避免被敵人發現,演化出看起來異常漆黑且不會反光的眼睛。這是因為飛蛾複眼由數千個小眼組成,而每個小眼又都自成體系,各自具有簡單的角膜、晶狀體和感光細胞,就好像是一架微型照相機,都有視力。更重要的是,每個小眼的角膜表面都具有奈米級的細小突起,甚至還小於光線的波長,所以反光性極低,而且似乎可以吸收來自四面八方的光線。

市面上已有企業模仿此種譗蛾眼效應豃,推出不會反光的玻璃,可應用在鏡片、電視及電腦螢幕上,現在還可應用在太陽能裝置上,並改善其成本效益。

觀察蛾的眼睛是如何構造的,讓Peng Jiang和他的同事得到一個點子。譗蛾眼不怎麼會反射豃,他指出:譗我們在大自然中發現靈感,試著去模仿自然的奈米結構。豃他們透過利用在流體懸浮狀態下的奈米粒子和旋轉的矽片來模仿這一構造模式。

Peng Jiang表示,蛾眼的角膜上具有整齊的凸塊(bumps),這些凸塊位於1個陣列中有序排列,讓整個眼睛幾乎不反光;如果應用在太陽能電池中,或許可吸收大部分來自陽光的光線且有效利用,而非無用地被反射掉。

在太陽能電池的應用上,一種旋轉塗布的方法可製造出蛾眼的效果。懸浮在液體中的奈米粒子被置於矽晶圓上,當晶圓開始旋轉時,旋轉力使奈米粒子散布在液體中,進而形成遮罩,再利用蝕刻作用將奈米結構轉移到其下的矽晶圓上。

所有的奈米粒子都是同樣大小,會按照科學家構造的譗蛾眼豃模板分散開,並自我組裝。Peng Jiang表示,那有點像我們把彈珠放在盒中搖晃後,所有的彈珠都會自動排列成陣列樣式。

Peng Jiang指出,在此製程下,被反射的陽光不到2%;而在沒有抗反射塗布層的情況下,會有高達35%至40%的太陽光被反射出去。

更重要的是,除了在技術上很容易,這種製成也花費不多。目前的太陽能電池抗反射塗層除了很難製造,成本也很昂貴。Peng Jiang認為,譗蛾眼太陽能電池豃簡單、便宜、效率更高。

譗蛾眼太陽能電池豃已與商業合作並進行改良,目前只是在單晶矽晶圓上完成的,未來將擴展到多晶矽上,Peng Jiang指出,這是太陽能技術未來的走向。

生物奈米可以啟發科學靈感,蛾眼是譗不反光豃的代表作,而蝴蝶的翅膀則是反光的代表作。蝴蝶翅膀的鱗片上,具有類似光子晶體的網狀結構,其大小約數百奈米,可反射部分顏色的光,並讓其餘顏色的光穿透過去。當光與光子晶體所產生的夾角改變時,會使光子晶體反射不同頻率的光,所以翅膀顏色會隨觀看角度而改變,造成蝴蝶翅膀的五彩繽紛。

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