抗反射能力对比： 方形纳米纹理芯片 VS （至于下方的）圆形硅片 

图片来源：布鲁克海文国家实验室

减少太阳能电池表面的反光量，有助于最大限度地提高太阳光转换为电能的效率，所以制造商使用涂料以减少反射。现在，布鲁克海文国家实验室美国能源部的科学家证明，在硅材料上刻蚀出纳米纹理可以构建一个抗反射表面，其作用相当于最先进的抗反射多层膜涂层。

他们的方法发表在Nature Communications杂志，并提交了专利保护，该方法有潜力简化硅太阳能电池的生产和降低生产成本。该方法也可用于降低窗户眩光，为军事装备提供雷达伪装，并增加发光二极管的亮度。

“对于抗反射应用，其思想是防止光或无线电波在材料界面之间反弹，”物理学家Charles Black说，他领导了布鲁克海文实验室中心的功能纳米材料（CFN）的研究，它是能源部办公室的科学用户设施。

防止反射需要控制“折射率”的突然变化，折射率影响波(如光)在材料中的传播。这发生在折射率差别非常大的两种材料的界面上，例如，空气和硅之间的界面。在界面处添加中间折射率的涂层有利于材料间的过渡，并减少反射，Black解释说。

 “太阳能电池使用这种涂料的问题，是我们使该设备充分捕捉光谱的每种颜色，并且我们希望捕捉任何方向的光。但每种颜色的光对应一种不同的抗反射涂层，每种涂层对特殊方向的光是最优的。所以需要多种抗反射涂层来处理这些问题。我们感兴趣的是寻找一种更好的方式。“

为了获取灵感，科学家转向自然界最著名的抗反射表面的例子，普通飞蛾的眼睛。它们复眼的表面由许多微小的“小眼”组成纹理图案，比光波长小。这种纹理表面提高了飞蛾夜间的视力，同时也防止了”狭路相逢“，反射光会被捕食者探测到它们。

“我们的目标是使用纳米技术以更小的尺寸在硅上创建飞蛾眼睛的图案，”  Atikur Rahma 说，他是该研究的第一作者。

科学家在硅太阳能电池的表面上部使用“嵌段共聚物”作为涂层，它可以自组装成有序的表面图案，尺寸仅为几十纳米。自组装图案用作模板，使用活性气体的等离子体的技术，在太阳能电池形成类似飞蛾眼睛的小眼，这种技术通常用于制造半导体电子电路。

所得到的纳米纹理表面逐步改变反射率，同时大大降低许多光波的反射，不论入射光的方向。

“添加这些纳米纹理把正常光泽的硅表面变成了绝对的黑色，”Rahman说。

使用这种方式纹理化的太阳能电池比单一抗反射膜的抗反射率高出20％，为工业设备和多层涂层带来了光明。

“我们正在了解，与其他已有的工业工艺相比，使用我们的方法装配太阳能电池是否有经济优势，”Black说。

隐藏层解释了性能优于预期的原因

该研究一个有趣的方面是，科学家们通过创建纳米小眼获得的抗反射性能的是数学模型所预测的一半。因此他们呼吁CFN同行的专家和其他布鲁克海文国家实验室的科学家来帮助解决这个谜团。

“对我们、学术和工业研究人员来说，在CFN做研究有一个强大的优势，就是使用我们的设备,”Black说。“我们周围有帮你解决问题的专家。”

综合使用计算机建模、电子显微镜和表面科学，研究小组推理薄层中存在二氧化硅，类似于硅暴露在空气中形成放大效应的经典形式。

“在平面上，氧化层如此薄以至于它的影响很小，”布鲁克海文可持续能源技术部门和石溪大学的教授Matt Eisaman解释说。“但在纳米图案表面，在纳米纹理的所有面都有薄的氧化物层，这层氧化物有更大的影响，因为它在纳米纹理中占有重要比例。”

Black说，“这个隐藏层是提高那额外50%性能的关键。”

科学家们正志立于为其他材料开发基于纳米纹理图案自组装的方法，包括玻璃和塑料、遮光窗户和太阳能电池板的涂料。

 

新材料在线编译整理—— 翻译：周想燕