光子晶体能增加太阳电池效能

英国和德国科学家最近发展出一种新方法，可来製作包含三维光子晶体的染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cell)。虽然这类元件还无法与目前市场上最先进的太阳电池竞争，但它们可以用来研究光子晶体如何影响弱吸收材料的收光能力(light harvesting capability)，因此将有助于设计出更複杂的光伏系统。

光子晶体是折射率呈週期变化的奈米结构，在部份波段具有光子能隙，影响光子的传递，造成某些波长範围的光可以通过光子晶体，而其它範围的光则被反射。

目前大多数太阳电池是以硅为活性材料，但效果并不理想，原因是硅需要尽可能的薄，但越薄吸收的光子越少，被转换成电的光子也更少，结果导致电池效率降低。于是光子晶体能将未吸收的光子重新导向回至硅的潜力，就倍显重要了。

光子晶体层可以像金属般直接贴附在太阳电池的背面，目前传统太阳电池最常贴的是铝，而光子晶体不仅比铝反射更多光，绕射后的光会以更小的角度重新进入硅。低角度可防止光逃离硅，增加光被吸收与转换成电的机会。

剑桥大学的Nicolas Tétreault等人与在慕尼黑科技大学的合作者提出一个新方法，将三维光子晶体并列覆盖在底层介孔性(mesoporous)二氧化钛上。以往科学家很难研究光子晶体如何影响太阳电池的功能，因为产生三维光子晶体的化学气相沉积步骤会堵塞底下介孔。

Tétreault等人先在导电基板上旋镀一层高分子嵌段共聚物(block-copolymer)及二氧化钛奈米粒子接着在上面以渗透入二氧化钛的聚合物微球自组装成三维光子晶体。在退火处理时，孔洞会形成，而上下两层的聚合物都会被移除，于是在孔洞底层上方产生三维光子晶体结构。这项技术使孔洞与光子晶体相连。

研究人员表示，他们确实观察到光子晶体在相邻介孔层引起的局部共振效应。虽然先前已经有理论预测这种效应，但实验上还是第一次观察到。上述太阳电池虽非目前市售产品的对手，不过研究人员现在以经能研究光子晶体如何影响弱吸收材料的收光，而且此概念可以推广应用至其它光伏技术上。该团队目前正在研究底层厚度增加对何局部共振的影响。详见近期的Nano Letters | DOI: 10.1021/nl904017t。