眾所周知，太陽(yáng)能的科學(xué)利用是解決當(dāng)前嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一，因而成為各國(guó)科學(xué)家研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在各種能源轉(zhuǎn)化形式中，電能具有使用方便、易于輸送等優(yōu)勢(shì)，因此光電轉(zhuǎn)換一直是一種主要的太陽(yáng)能利用方式。太陽(yáng)能的高效利用可通過(guò)擴(kuò)大吸光范圍和提高轉(zhuǎn)換效率等來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而目前大多數(shù)光伏器件都是工作在可見光波段，在太陽(yáng)光中占比52%的近紅外光卻沒(méi)有得到有效利用。正因?yàn)榇?，增?qiáng)光電器件在近紅外區(qū)域的太陽(yáng)光吸收和利用，便成為一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)該問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組巧妙利用金屬納米結(jié)構(gòu)等離激元的熱電子注入機(jī)制，基于半導(dǎo)體硅材料設(shè)計(jì)了一種可在近紅外區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換且具有力學(xué)柔性的光伏器件。該研究成果發(fā)表在ANGEWANDTECHEMIE-INTERNATIONALEDITION[55,4577-4581(2016)]上，并被該刊評(píng)為重要論文。

研究人員基于課題組此前已作研究的半導(dǎo)體-金屬界面上的熱載流子注入效應(yīng)(Angew.Chem.Int.Ed.53,3204(2014);Adv.Mater.27,3444(2015))，將具有近紅外等離激元吸收帶的銀納米片分別引入無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化和肖特基型光伏器件中。在近紅外光照下，等離激元效應(yīng)產(chǎn)生的熱電子可以直接注入到單晶硅的導(dǎo)帶中，能有效提高近紅外光區(qū)光電轉(zhuǎn)換性能。以波長(zhǎng)為800nm的近紅外光為例，引入銀納米片后，器件的外量子效率由24.2%提高到38.4%，得到了59%的增強(qiáng)。

圖1基于等離激元熱電子注入效應(yīng)的近紅外柔性太陽(yáng)能電池

另外值得一提的是，這一工作實(shí)現(xiàn)了“自上而下”的微加工技術(shù)和“自下而上”的組裝技術(shù)的有效結(jié)合。該課題組首先采用濕法刻蝕方法制備出硅納米線陣列，然后采用滴注方式將含銀納米片的懸浮液引入硅納米線陣列中。以此種方法制造出的太陽(yáng)能電池不僅具有了良好的近紅外吸收效率，而且還擁有了一定的柔性。這使得其可以折疊、卷曲、粘貼等方式附著在曲面上(如汽車玻璃、屋頂、衣服等)，因而極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用空間。

該研究提出了新的界面工程思路，推動(dòng)了熱電子注入機(jī)制的應(yīng)用，將拓展人們對(duì)能源轉(zhuǎn)化中電子運(yùn)動(dòng)“微觀引擎”的控制能力。