随着太阳能电池板价格不断下降、发电能力不断提升，太阳能正成为一种商业上更可行的替代电力来源。然而，目前用于将阳光转化为电能的光伏电池只能吸收并利用其中很小一部分光能，这意味着大量太阳能未能得到利用。
加州理工学院研究人员开发的一项新技术，在一篇于10月30日刊于《Science Express》在线版的论文中作了介绍。这项技术标志着利用这部分流失能量迈出了第一步。
阳光由许多不同波长的光组成。在传统太阳能电池板中，阳光照射到硅原子上，硅原子最外层的电子从其中一些波长的阳光中吸收能量，从而受到激发。当受激电子吸收足够能量、脱离硅原子后，就能在材料中独立流动并产生电能。这被称为光伏效应——一种发生在太阳能电池板光伏电池中的现象。
硅基光伏电池可以吸收可见光谱范围内的光波长——也就是人眼可见的光——但红外光等较长波长会穿透硅。这些波长的光直接穿过硅，不会转化为电能；以红外光为例，它们通常会作为不需要的热量损失掉。
“硅只吸收光谱中的一部分，对其余部分则是透明的。如果我把一个光伏组件装在屋顶上，硅会吸收光谱中的那部分光，其中一些会转化为电能。但其余光能最终只是让我的屋顶升温，”研究负责人 哈里·A. 阿特沃特说。他是霍华德·休斯应用物理与材料科学教授，也是 雷斯尼克可持续发展研究所所长。
现在，阿特沃特及其同事找到了一种方法，利用一种完全由金属构成、而非由硅构成的结构来吸收并利用这些红外波。
他们开发的新技术基于一种在金属结构中观察到的现象，即等离子体共振。等离子体是电子协同形成的波或涟漪，存在于金属与空气接触处的金属表面。
金属的等离子体共振通常由其自然属性决定，但阿特沃特及其同事发现，在实验室将金属制成微小纳米结构后，可以将这些共振调谐到其他波长。
“通常，银、铜或金这类金属中的电子密度是固定的；它只是材料的一种属性，”阿特沃特说。“但在实验室里，我可以向金属纳米结构的原子中加入电子，使它们带电。这样一来，共振频率就会发生变化。”
“我们已经证明，这些发生共振激发的金属表面能够产生电势”——其效果与用一块毛皮摩擦玻璃棒非常相似：电子会沉积到玻璃棒上。“你给它充电，或者说积累静电荷，之后可以通过轻微电击的方式释放出来，”他说。“同样，在接近共振频率时激发这些金属纳米结构，会使其带电并产生可测量的静电势。”
阿特沃特说，这种静电势是产生电能的第一步。“如果我们能找到产生稳态电流的方法，它就有可能成为一种能源。他设想，有朝一日，利用等离子体电效应的太阳能电池可以与光伏电池配合使用，同时利用可见光和红外光来发电。
尽管这类太阳能电池仍有待实现，但这项新技术甚至现在就可以用于新型传感器，根据静电势检测光线。
“像所有此类发明或发现一样，这项技术的发展路径难以预测，”阿特沃特说。“但每当你证明一种能够制造光传感器的新效应时，这项发现几乎总会带来某种新产品。”
这项研究成果发表于一篇题为《金属纳米结构中的等离子体电势》的论文中。其他合著者包括第一作者马修·T. 谢尔顿，他曾是加州理工学院博士后研究学者；加州理工学院应用物理学研究生安娜·M. 布朗；以及阿姆斯特丹FOM研究所AMOLF的约里克·范德格罗普和阿尔伯特·波尔曼。该研究由美国能源部、荷兰科学研究组织和美国国家科学基金会研究生研究奖学金资助。
与 Calltech合作发布。
作者：杰西卡·斯托勒-康拉德是加州理工学院的科学撰稿人。
图片：2013年9月16日，一名工人在敦煌的一处太阳能电站检查太阳能电池板。敦煌位于兰州西北方向，甘肃省。路透社/卡洛斯·巴里亚。
