說(shuō)起「晶圓」，半導體行業(yè)的人一定不會(huì )陌生，它是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于形狀為圓形，故稱(chēng)為晶圓。硅半導體集成電路的生產(chǎn)制造工藝，一直都離不開(kāi)這種基本材料。各種各樣的集成電路元器件，也是由它制造而出。
然而，今天要介紹的并不是晶圓工藝的改善，甚至和集成電路的關(guān)聯(lián)都不大。讓我們驚喜的是，科研人員通過(guò)創(chuàng )新探索，將晶圓作為材料應用于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，并且帶來(lái)了讓我們意想不到的新作用。
他們利用已廣泛商用的硅晶圓，修改其結構，使它更加有效地吸收太陽(yáng)能，并且耐高溫，以適應“聚光太陽(yáng)能”發(fā)電廠(chǎng)24小時(shí)不停運轉的需求。
這項發(fā)明的細節發(fā)表于4月3日的《應用物理快報》雜志。
選擇性吸收光線(xiàn)
“聚光太陽(yáng)能”發(fā)電系統，一般會(huì )利用鏡面，將太陽(yáng)光聚集到“選擇性的太陽(yáng)能吸收器和反射器”上，從而采集和存儲能量。為了更加有效采集太陽(yáng)能，「研究人員特別設計了這種低成本的表面材料，它可以選擇性地吸收特定頻譜范圍內的光線(xiàn)，而反射掉其它部分」。
防止再次輻射
普渡大學(xué)電氣和計算機工程學(xué)院的助理教授PeterBermel說(shuō)：
“這項研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于，為了盡可能高效地采集太陽(yáng)光，你必須做兩件互相競爭的事情：一件是從太陽(yáng)中吸收盡可能多的能量，而另外一件是不再次輻射能量。如果你讓某個(gè)東西變得很熱，而它就會(huì )開(kāi)始發(fā)出紅光。而我們卻在嘗試，在吸收太陽(yáng)光時(shí)，防止發(fā)生二次輻射。”
這種硅太陽(yáng)能設備包含了位于上層的涂有氮化硅的抗反射層，以及由銀制成的背面發(fā)射層，從而可以有效的降低再次輻射。
對此，PeterBermel說(shuō)：
“在研究中，我們使用了現成的硅晶圓作為設計和制造的平臺，制成一種結構能夠吸收很多的太陽(yáng)光，而不會(huì )再次輻射多少熱量出去。我們在頂部和底部都增加了一層，增強其吸收光線(xiàn)的能力，同時(shí)也能反射更長(cháng)的波長(cháng)。”
高溫下性能穩定
研究團隊修改硅晶圓后，它可以承受接近535攝氏度的高溫，而不會(huì )影響穩定性或者性能。對此，研究生HaoTian說(shuō)：
“我們通過(guò)實(shí)驗，展示了選擇性的太陽(yáng)能吸收器，可在高溫條件下保持高效。這種結構易于制造，而且在“聚光太陽(yáng)能”應用的高溫條件下保持穩定。”
提高能量轉化效率
對于能量轉化率，研究生ZhiguangZhou這么說(shuō)：
“這項工作展示了可以通過(guò)十分簡(jiǎn)單的結構和普通的材料，完成高效的太陽(yáng)能熱能轉化。這對于實(shí)際應用來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵一步，我們希望它能夠沿著(zhù)這條路走下去。”
柔性
通過(guò)這種硅晶圓結構，研究人員探索出了由硅薄膜制成的選擇性吸收器，薄膜的柔性會(huì )帶來(lái)更多的潛在優(yōu)勢，例如可以應用到彎曲的結構，例如聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統用到的，像鏡子一般的「槽式拋物面」。這種“槽式拋物面”可在一整天內追蹤太陽(yáng)，集中太陽(yáng)能達50倍左右。
Bermel說(shuō)：
“這些薄膜不僅性能真的更好，而且它們十分柔軟，所以你可以將其覆蓋于任何物體表面。”
關(guān)鍵挑戰
研究的復雜之處在于，當溫度從室溫升高到500攝氏度左右時(shí)，材料的屬性會(huì )發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。
對此，科研團隊拓展了他們在該領(lǐng)域之前的研究，開(kāi)發(fā)出了一種精密的模型，它能夠模擬溫度升高時(shí)材料屬性的變化。
研究?jì)r(jià)值
這種研究旨在推進(jìn)了全球對于「混合能源系統」的研究，其中包括太陽(yáng)能光伏電池、熱電設備和蒸汽輪機。太陽(yáng)能光伏電池能將可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)轉化為電力，熱電設備可以將熱量轉化為電力，蒸汽輪機則可以利用蒸汽發(fā)電。
理想地說(shuō)，這種混合太陽(yáng)能系統效率超過(guò)50%，而作為對比，單獨當光伏發(fā)電板只有31%。研究人員評估由于“槽式拋物面”帶來(lái)的太陽(yáng)聚焦，它能夠將光線(xiàn)的51.5%轉化為可用的、490攝氏度的高位熱量。
Bermel說(shuō)：
“這些研究成果彌補了我們之前在設計混合太陽(yáng)能系統方面的工作上的不足，代表了它可以作為其中一項關(guān)鍵性實(shí)驗組件，用于這種24小時(shí)的太陽(yáng)能發(fā)電系統。”
未來(lái)應用
未來(lái)的研究包括研究基于「柔性薄膜」的方案，長(cháng)遠的目標是將所有組件集成到一個(gè)工作系統中，持續產(chǎn)生電力。這樣的系統未來(lái)有望應用于「大型發(fā)電站或者小型住宅系統」。
