2017-11-03
交大光電系講座教授、中央研究院物理所訪問講座教授、壬色列理工學院物理系林尚佑教授研究群成功設計並製造出特殊的三維奈米晶格結構,讓進入材料後的光束大幅轉折到平行於表面的方向上行進,進而將太陽能和水分解應用中的薄膜吸收推向極限,實現極致的「光捕獲」效應,可應用於薄膜太陽能電池與光化學應用上,如感測和水分解。此突破性研究成果六月發表於國際期刊《Nature Scientific Report》。
 
 
由林尚佑教授帶領的跨國團隊包括壬色列理工學院實驗室博士後研究員Brian J. Frey、Ping Kuang、加拿大多倫多大學Sajeev John教授以及交大光電系謝美莉副教授、中國蘇州大學江建華教授等人。林尚佑教授、Sajeev John教授感謝美國能源部(DOE)的計畫經費資助,謝美莉副教授也感謝台灣科技部的研究計劃資助。 
 
矽基太陽能電池靠著光束入射到矽材料中,藉由矽材料的吸收捕獲太陽光的能量。由於光是垂直入射於材料中,材料的厚度限制了吸收的光能,若能將進入矽基材內的光線轉折到平行於材料表面的水平方向上行進,吸收長度則是由矽基材的寬度決定而不是厚度。有了改變光束行進方向的想法後,林尚佑教授開始設計並成功製造由重複排列的奈米線所構成的三維奈米晶格結構,讓進入材料後的光束大幅轉折到平行於表面的方向上行進,此現象稱為「平行於界面折射」(Parallel to Interface Refraction, PIR)。這項奈米光子晶體結構實現了極致的「光捕獲」效應,可應用於薄膜太陽能電池與光化學應用。
 
光捕獲效應一般是描述光被限制在空間的過程,通常應用於將光能轉換為其他形式的能量;在林尚佑教授的設計中,光依其設計的路徑彎曲,使得光波在材料內行經更長的距離用以大幅提升能量的吸收。
 
一般而言當光線進入不同光學材料的界面時,光的行進方向總會被彎曲,就如光進入水中被折射而改變行進方向。在林尚佑教授製作的二氧化鈦晶格結構中,當可見光的波長尺度與晶格排列相匹配時,隨著光入射到此人造晶格中將同時有多點散射光在空間中。光線的行進不再像通過空間或任何連續介質一樣,光束將以鈍角彎曲,此現象被稱為「負折射」。
 
為了操控可見光(波長範圍為400-700nm)的行進方向,林尚佑教授首創完全立方對稱的奈米線狀結構,且晶格尺度與可見光波段相匹配。雖然每一單層材料的厚度小於百萬分之一米,亦即微米等級,但由於光進入此結構後行進方向被轉折到平行表面的方向上,對100mm寬的晶片而言,其結構對光束的吸收可提升高達100,000倍。這個實驗證明了當使用具有非常低吸收的材料時,在超薄結構中改變吸收路徑從垂直方向變為水平方向,光束路徑的長度將大幅增強光能的吸收。
 
《Scientific Report》完整報導:https://www.nature.com/articles/s41598-017-03800-y

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