最近，我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在对基于光电转换的单晶硅太阳能电池的研究中取得进展。
众所周知，硅基太阳能电池仍然是当前光伏器件领域的主流产品，大规模商业生产要求高的转换效率和低的生产成本，对于硅太阳能电池而言，如何提高太阳光谱的吸收效率、降低光生载流子的复合几率以及降低对硅原料量的需求，是国内外研究组努力的方向。
近年来，随着纳米光子学和纳米材料制备技术的发展，一批具有纳米微结构的光伏元件被设计出来，如纳米线、纳米金字塔、纳米锥结构等等，这类结构可以通过光子的控制实现太阳光吸收增强从而提高太阳能电池光电转换效率。然而，到目前为止，达到或接近Yablonovitch极限的报道依然很少。本课题组通过将半导体纳米锥和金属纳米微结构结合起来，理论设计了一种硅-金属复合纳米锥结构，通过结构优化，得到16nm厚的单晶硅即可实现27%的太阳光谱吸收效率（带隙以上），相当于700nm厚的单晶硅薄膜的吸收效果，其吸收增强因子已接近Yablonovitch极限。
为了理解此类微结构的宽带太阳光吸收的物理机制，课题组通过数值模拟和理论分析的方法，揭示了宽带光吸收源于复合纳米锥结构中不同阶FP共振模式、等离激元共振模式以及二者的杂化光学模式共同作用的结果。此类半导体-贵金属复合纳米锥结构除了可以提高通过多光学模式拓宽吸收带宽增加光程以降低半导体材料量的需求外，也为电子空穴对的分离和光的吸收在不同的方向完成提供了可能的途径，有利于降低光生载流子的复合几率。此设计有可能在低成本、高效率的太阳能光电转换和水分解器件方面获得广泛应用。该项研究得到国家自然科学基金创新群体项目和江苏省优势学科资助，该研究成果于2014年1月20日发表在《纳米快报》（Nano Lett. 14, 1093 (2014)）。（现代工程与应用科学学院 周林）
图示给出了单晶硅-银纳米锥结构归一化的光吸收效率谱线。（插图为结构示意图和特征共振模式分布图）
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