剥丝抽茧打磨有方 —— 薄膜技术助力高效耐用太阳能电池研发

Ina Martin，克利夫兰凯斯西储大学兼职教授，以及光电研究和教育 (MORE) 中心材料运营总监，想改变世界。

怎么做？让可再生能源更耐用、更经济、更优质。

她正试图解决一个太瓦级的能源问题。太瓦是一个衡量全球人类能源使用速度的单位。

Martin 的研究成果有助于在全球范围内创造丰富、低成本的清洁能源。

Ina Martin, Ph.D. and Professor at Case Western Reserve University

Ina Martin 凯斯西储大学博士兼教授

科学观测显示，地球在短短90分钟内从太阳接收到的能量，远超我们一年所消耗的总量。这一惊人事实显示了太阳能作为能源领域未来之星的潜力。然而，尽管太阳能电池的成本日益降低，应用领域逐渐广泛，它们在全球电力供应中的份额仍远低于预期。成本、效率以及耐用性，尤其是耐用性，一直是限制其广泛应用的关键因素。

Martin 博士表示：“我的梦想是通过深入了解薄膜材料的光学特性、界面的化学性质，让太阳能进入千家万户。”

太阳能电池由吸收层、界面层及触点三部分构成。每一层都扮演着至关重要的角色：吸收层负责捕获光能并分离电荷；界面层则促进特定电荷的传输；而直接与阳光接触的触点，不仅允许光线进入，还负责输出电流，因此通常由透明材料制成。Martin博士将其比作“洋葱”：“它们有多层次的结构，而我的研究首先主要聚焦在顶部触点材料上。”

为了增强太阳能电池的耐用性，Martin博士在透明导电氧化物（TCO）上潜心钻研。TCO是一种在可见光光谱范围内具有高透过率且电阻率较低的薄膜材料，这种材料主要由氧化物及其相应的复合多元化合物半导体材料构成，目前她主要使用的是掺铝氧化锌（AZO）。同时，Martin博士在这种TCO上涂覆有机官能硅烷分子，以降低其与环境反应的可能性，有望以此延长太阳能电池的耐用性。

触点的重要性

“我们已完成了原理论证，并计划将其实际应用于太阳能电池，随后进行封装。”Martin博士说。接下来的挑战在于检测封装对触点性能的影响。她的这项工作得到了美国能源部和凯斯西储大学文理学院的大力支持。

走进Martin博士的实验室，整洁有序的环境令人印象深刻。每个工作站都配备了镊子、参考样品和仪器使用说明。其中一台HORIBA UVISEL PLUS研究级经典型椭偏仪尤为引人注目。这台仪器结合了非旋转相位调制和液晶调制技术，能在从真空紫外到近红外的光谱范围内提供灵敏而精确的椭偏测量。

“椭偏仪的一大优势在于，从简单单层到复杂多层的各种材料系统它都能检测。”Martin博士解释道，“许多研究者都依赖这台仪器来解决材料方面的难题。”此外，UVISEL PLUS还能提供多种其他材料特性信息，如各向异性、梯度、形态、结晶度、化学成分和导电性等。

值得一提的是，这台仪器操作简单，易于掌握，本科生在半小时内即可完成培训。因此，俄亥俄州东北部的研究人员都能通过MORE中心强大的椭偏技术，进行各类分析测试。该实验室每年接待约100名来自大学、学术机构以及工业企业的用户。

Martin博士接下来的工作重点是利用光谱椭偏仪确定太阳能电池材料的厚度和/或光学常数，以提高其稳定性和效率。她对此技术的前景充满信心：“在解决触点的薄膜材料问题之后，如何通过优化界面层来提高太阳能电池的稳健性，这将是我们的下一阶段的工作重心。”

Student operating a HORIBA UVISEL Spectroscopic Ellipsometer

实验室中，一名学生正在操作HORIBA UVISEL PLUS研究级经典型椭偏仪

随着全球对可持续能源需求的日益增长，太阳能作为清洁、可再生的能源形式，正逐渐走向舞台中央。然而，要实现太阳能电池的广泛应用和持久稳定，我们仍面临许多挑战。幸运的是，像Ina Martin博士这样的科研先驱者，正通过利用先进的光谱技术，为太阳能电池的稳健性提升铺平道路。期待更多科学家携手加入，为构建更加绿色、可持续的未来贡献力量。