寬頻光波吸收器助力太陽能電池

材料牛注：還在為太陽能電池的效率擔心？近期，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的研究人員研發了一種能夠吸收特定頻率電磁波的新材料，對于其他頻率的光卻是透明的。

目前，已經有各種各樣的材料能夠吸收各個頻率的光，例如哈佛大學研究出的二氧化釩，但是這些材料都不適合于長期使用，因為這些材料要么價格昂貴，要么體積龐大。此外，它們只適用于非常窄的頻率范圍，應用范圍受到限制。

為了擴大光吸收器的應用范圍，UCSD的科學家們創造了一種新型柔性材料。該材料在紅外光波段（波長為1200～2200nm）能吸收87%的光，在光纖通信波段（波長約1550nm）的吸收率更是高達98%，是一種近乎完美的寬頻吸收器。以上數據還只是初步成果，研究人員相信最終該材料可以做到只吸收特定頻率的光，而讓其他頻率的通過。例如，只有紅外波段的光不能通過，對于可見光卻是透明的。

UCSD雅各布工程學院的Zhaowei Liu 教授向我們解釋道：該材料是通過交替沉積氧化鋅和摻鋁氧化鋅的納米管陣列的方法制備的，這些納米陣列高約1730nm，直徑在650～770nm范圍。這些納米管最初沉積在硅片上，然后被轉移到輕薄透明的彈性聚合物上。

每個納米管都可以看做一個半導體裝置，通過控制摻雜鋁的量來控制自由電子的數量。在該種組合情況下，單純的氧化鋅只有中等數量的自由電子，而鋁摻雜的氧化鋅有大量自由電子。自由電子運動產生一種表面等離子共振，這種共振出現在金屬納米粒子的表面，來回應某種波長的光，從而阻止該頻率的光通過。

一個近期畢業于該研究團隊的博士Conor Riley補充道：我們可以通過改變納米管的物理化學特性來改變自由電子的數量，從而改變吸收電磁波的頻率。在這種結構設計中，我們有很多物理參數可以改變，納米管間距，摻雜材料的種類和數量等。我們的仿真結果表明這些都是可行的。

該種材料的成功研發能夠大幅度地提高太陽能電池的效率，電池板可以選擇性聚焦吸收特殊波段的光，同時阻擋容易發熱的具有破壞性的紅外光。此外，該材料還可以用于特殊設備窗口的涂層材料，既讓可見光通過，又不產生熱量。

當然該材料的應用也存在一定的困難，Donald Sirbuly教授表示：目前納米材料還不能制備成超過1cm2的大小，在這個方面我們還需要邁出一大步。我們打算分析不同種類的材料和排列方式，進行進一步的嘗試。盡管現在距離實際應用仍有一段距離，研究人員相信制備不同光吸收波段的材料指日可待。

該研究結果近期發表在期刊Proceedings of the National Academy of Sciences.

原文鏈接："Near-perfect" broadband absorber with potential in solar cells, windows and stealth.

文獻鏈接：Near-perfect broadband absorption from hyperbolic metamaterial nanoparticles.

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，陳靜編譯，點我加入材料人編輯部。

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