石墨烯之吸光性質_機理 (#25)

01-30

2015-7-25

太陽能電池顧名思義就是把太陽光轉成電能，不外乎追求吸收越多的太陽光及提高光電轉換效率，我們這篇先談到吸光部分。有越多太陽光被吸收，就能產生越多的電子。太陽能電池目前最普遍的材料是硅 (Si)，但硅本身對可見光有 40%左右的反射，也就是說照射到硅表面上的太陽光有 40%被直接彈回去，無法利用，因此在生產太陽能板射，會在硅表面製作抗反射層，降低反射的損失。反射率越低，就代表越多的光被吸收，轉成的電能也越多。既然要把光都吸收，太陽能電池表面應該要越黑越好，但大家印象中的太陽能板都有點偏深藍色，這是因為這種太陽能電池的抗反射層無法完全把藍光的反射率降到接近 0，由於藍光的反射率比其他顏色的光要高，所以看上去就會是深藍色。因此要讓太陽光能充分被利用，就要努力使材料表面幾乎不反射，只吸收，顏色也當然會是黑色。「黑色」的硅就是工程師們努力的目標，一般來說要製作抗反射層，需要把硅表面蝕刻出微米甚至是奈米狀的粗糙結構，結構越小越細，反射率就會越低。

這項技術本身並不難做到，黑硅 (black silicon)也早就被研發出來了，但黑硅有一個很嚴重的問題：當太陽能板照光，將光子轉成電子後，電子在傳送過程損失很大，硅的表面通常是讓電子損失的主要途徑，雖然黑硅可以吸收很多光，也能轉換成很多電子，但是就是因為黑硅表面細小的奈米結構讓表面積大幅增加，也就讓更多的電子損失在表面。芬蘭及西班牙學者共同發現利用原子層沉積 (Atomic LayernDeposition, ALD) 將氧化鋁覆蓋在黑硅表面作為鈍化層，可以有效抑制電子在表面的損失，將黑硅太陽能電池的效率提高到 22.1%。抗反射有兩個重點，一是寬波段，二是廣角度。太陽光光譜從紫外光、可見光一路到紅外光，如果能讓這整個波段的反射率都很低，就能有效運用所有光線，如同前面所提到，抗反射的大原則就是表面結構越細越小，反射率就越低、波段越寬，這也是為什麼黑硅可以這麼「黑」的原因之一，這項研究中的黑硅在可見光的波段反射率都低於 1%，可以說幾乎所有的光都被吸進去了；抗反射的另一個重點是廣角度，因為太陽光不會一直從正上方照下來，從日出到日落，太陽幾乎都是有角度的，絕大多數的材料，隨著入射角變大，反射率也會急遽上升，造成太陽能電流下降。這項研究中的黑硅電池，在 60度入射角時電流只比垂直入射少 1%，效率幾乎不會受到太陽照射角度影響。

Dirac電子使石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜，從可見光涵蓋至紅外光是一大特性，但石墨烯照光後的行為與一般半導體不同，而科學家尚未釐清其獨特光響應背後的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯晶體管進行光導實驗，發現其機制可歸因於光伏 (photovoltaic)效應或輻射熱 (bolometric)效應。在這之前，研究人員認為至少有五種機制與石墨烯的吸光行為相關，包含光伏效應、熱電效應、輻射熱效應、氧氣光脫附以及光敏晶體管放大。最近，IBM的 TJ Watson研究中心 PhaedonnAvouris等人藉由以石墨烯晶體管進行光導實驗，發現其機制主要為光伏效應或輻射熱效應。他們利用聚焦紅外光雷射照射石墨烯晶體管，並以鎖相技術測量光電流。實驗中使用均勻石墨烯，而非過去研究中常用的石墨烯 p-n接面，因此能獲得石墨烯的本質光響應。當石墨烯吸光時，所產生的電子電洞對會迅速與其他電子電洞發生交互作用，導致電子整體溫度的上升。不過由於電子與碳晶格之間的耦合相當微弱，因此熱能轉移非常緩慢。Avouris表示，就是這些熱電子形成石墨烯中的光伏電流，不過當晶格溫度升高時，電子遷移率會跟著改變，並且形成方向相反的輻射熱電流。在電子密度較低時，光伏效應為主要機制，而在高電子摻雜濃度時，則由輻射熱電流主宰。研究人員發現改變背閘極電壓可控制電子密度，進而能在兩種光電流響應機制之間作切換。

nn石墨烯的光吸收機製為等離子 (plasmon)，而石墨烯的電子只能在二維平面上運動，等離子會在較低的頻率產生。單層石墨烯單光子吸收係數是與入射光波長無關的常數n(6.8*10^7 m-1)，即單層石墨烯對入射光的吸收率為 2.3%，而在可見光區域，單層石墨烯的反射率要小於 0.1%，10層石墨烯的反射率也僅有 2%。反觀，雙層石墨烯單光子吸收比單層石墨烯的單光子還強，且隨入射光波長呈分段式變化，當波長大於 3100 nm時，吸收係數為n2.1*10^8 m-1 (高一個數量級)。而石墨烯和金屬納米結構結合在一起，使其吸光能力增大到 20倍，就是利用一些金屬的周期結構的表面等離子震蕩將光束縛住表面，而石墨烯僅僅一層原子厚度，可以充分接觸上方的產生等離子震蕩的結構，從而利用被束縛在表面的光能，提高對光的吸收。這樣一來不僅保留石墨烯原有的較寬的光吸收頻譜，另一方面也能提高吸光能力，這對光催化後續的應用技術幫助不少。

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2015-7-27

奈米碳管黑體（Vantablack）是一種由奈米碳管製造，而且是目前已知最黑的物質，吸收最高達 99.965 %的可見光波段電磁輻射。此物質由垂直排列生成的奈米碳管組成。當光線入射奈米碳管黑體時幾乎不會反射出去，而是會局限於管壁之中不斷偏折，直到最後轉換成熱能為止。奈米碳管黑體同時增加了聚光太陽能熱發電的熱吸收率。我想結合奈米碳管黑體的光吸收及石墨烯光熱或光電轉換的雙重性質，理論上對光熱轉換及光電轉換的效率必定有所提升。

美國學者在 2008年就制出地球上最暗的材料（darkestnmaterial ），可以吸收 99.9％的光。在交通大學光電工程學系林尚佑（Shawn-Yu Lin），也是研究團隊成員之一。這種材料以細小的奈米碳管組合而成，光線反射率超低，只有 0.045n％，黑暗程度是目前世上最暗物質「鎳磷合金」（nickel-phosphorous alloy）的 3倍以上。相較之下，普通黑色顏料的光線反射率約在 5％到 10％之間，根本比不上這種奈米碳管組合。

林尚佑說，他們研發出的新奈米碳管組合，不只反射的光線超低，而且具有強大的吸收光線性質。RicenUniversity 的 PulickelnAjayan說，所有進入這種材料的光線，大概都會被吸收，它擴大了物質吸收光線的極限。這種材料可以用來轉換太陽能，因為它可以把所有照射在它上面的光線收集起來。這種材料也可用於紅外線偵測或天文觀測。這種材料之所以這麼暗，有三大原因。首先，它是以比髮絲細小許多的奈米碳管組成，而碳能夠吸收部分光線。其次，這些奈米碳管像一塊草皮一樣排排站立，這會形成捕捉光線的細小縫隙。最後，研究人員使這種材料的表面凹凸不平，大大降低其光線反射能力。研究人員只用可見光測試這種材料，現在他們還想用紅外線、紫外線進行測試，也可能包括通訊系統使用的不同波長的輻射。如果能創造出能夠阻擋這些輻射的材料，就可能有許多國防匿蹤技術上的新應用。

而英國SurreynNanoSystems這家公司在 2014年費了九牛二虎之力已經開發出來，而SurreynNanoSystems最在行的正是低溫原子沉積製程（low-temperaturenatomic deposition processes），所以很可能是利用原子層沉積（atomicnlayer deposition）或化學氣相沉積（chemicalnvapor deposition）將奈米碳管沉積於鋁箔基質上。