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困擾著薄膜太陽電池開發的一大問題是“收益遞減”效應，即薄膜越薄，制造成本越低，但變得更薄時，會失去捕光能力。加州理工學院的研究人員發現，當薄膜厚度等于或小于可見光波長時，其捕光能力會變得很強，這可以幫助開發出厚度僅為當前商用薄膜太陽電池百分之一的新型電池。相關研究成果發表在《Nano Letters》上。

傳統薄膜太陽電池的光捕獲能力存在理論極限，稱為“射線-光極值”，用于表示材料能夠捕獲的最大光量，但僅當材料達到一定厚度時才能達到這一峰值。目前，研究人員已研制出幾十分之一納米厚的太陽電池，但這種薄膜電池會使大量的光在被吸收前穿透而過。

加州理工學院應用物理和材料科學教授Harry Atwater及其同事指出，他們制備的薄膜厚度小于可見光波長（400-700 nm），這種材料由于光的波特性而與其產生相互作用。因此，材料的吸光能力不再取決于材料的厚度，而取決于材料與光線之間的波相互作用。

通過計算和計算機模擬，Atwater團隊證實，提升材料吸光率的技巧在于，創造更多“光態”給光占據，這些“光態”就像空位有點類似電子的能級，能夠接納特定波長的光。材料中光態數目的多少部分取決于它的折射率，材料折射率越高，越能夠縮短透過其中的光的波長，材料也能夠支持越多的“光態”。早在2010年，斯坦福大學教授Shanhui Fan等人就發現，高折射率材料的存在能夠有效提高低折射率材料的折射率，增強其吸光能力。

Atwater團隊對上述思路予以了概括，并證明在許多薄膜吸光材料中塞滿“光態”會促使其吸收更多的光。而且可以通過若干種方法，例如用金屬或者含有光波長量級圖案的晶體結構覆蓋在吸光層上，或者將吸光材料嵌入一個更復雜的三維陣列中，都可以提高吸光材料的有效折射率。

美國Toledo大學的Robert Collins表示，Atwater團隊的研究是“非常關鍵的第一步”。但他也認為，這項技術還面臨著諸多挑戰，比如，需要額外的工業過程來制造這些超薄的薄膜，這會導致成本增加。

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（國家能源局能源節約和科技裝備司）

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