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地球白天的一半在短短一个小时内接收到的太阳光足以满足人类一整年的能源需求。遗憾的是，利用如此丰富且免费的太阳能来满足人类能源需求存在几个问题——其中最重要的是制造能够廉价收集阳光能量的半导体材料的成本。但加州理工学院和IBM在材料方面的改进可能会降低太阳能的成本。
加州理工学院的研究生Michael Kelzenberg和其他材料科学家采用了垂直的硅晶体——像“草叶”一样的微丝，Kelzenberg说——来捕获高达85%的入射太阳光的全光谱，研究人员在2月14日的《自然材料》杂志上报道。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）他们的效率几乎与传统硅晶片的效率一样好，但他们仅需要此类晶片中百分之一的硅。
Kelzenberg说：“用百分之一的材料，我们已经使其吸收了96%的可见光峰值。有很多理由相信它可以扩展到制造薄膜太阳能电池。”
研究人员将硅片嵌入“鱼缸材料”中，这是一种柔韧透明的硅酮塑料，称为聚二甲基硅氧烷。仅此一项就足以使这些棒有效地捕获以一定角度入射的阳光。但是正午的直射阳光未能照射到足够多的叶片，无法有效地启动电子流动。因此，研究小组添加了氧化铝纳米颗粒来反射和散射入射阳光，使其照射到更多的微丝。“我们可以接触到导线的所有侧壁，”Kelzenberg解释说。“它产生了有趣的结几何形状，可以吸收光并收集电力。”
虽然尚未从新的微丝中生产出实际的太阳能电池，但是“如果你不能有效地吸收光，那么你肯定不能有效地将其转化为电力，”加州理工学院的化学家Nate Lewis指出，他也是该研究的参与者。硅片显示出足够的光吸收，使其成为“制造太阳能电池的有趣候选者”。
当然，薄膜硅太阳能电池已经存在，但是它们在吸收光或将其转化为电能方面的效率一直难以与传统硅光伏电池相媲美。新的硅微丝以较低的材料成本实现了类似的效率。“我们的目标是制造一种薄膜[太阳能]电池，其效率与普通晶片太阳能电池一样，”Kelzenberg说。“我当然希望在未来几年内看到这一目标实现。”
还有其他半导体材料可能像生产硅微丝一样便宜。根据制造商First Solar的数据，由铜铟镓硒（CIGS）或碲化镉制成的薄膜光伏电池已经上市，其现场效率约为11％，价格低至每瓦1美元。但是，这两种类型的电池均由稀有或昂贵的材料制成：碲很稀有，而铟很昂贵，因为它也用于平板电视。
然而，IBM的研究人员已经使用铜，锌，锡，硒和硫的组合生产了一种类似的薄膜太阳能电池，这些材料都是相对丰富且廉价的材料。根据美国能源部位于科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室的测试，这种新型电池可以将9.6％的入射阳光转化为电能。
IBM的材料科学家David Mitzi及其团队在2月8日的《先进材料》中报道说，他们用锌和锡代替了CIGS电池中的铟。日本的先前研究表明，这种“锌锡硫硒”电池可以达到近7％的效率——不足以在现场部署（现场效率通常至少减半），但是前景广阔。通过改变硫和硒的比例，Mitzi和他的同事们能够将锌锡硫硒太阳能电池的整体效率提高40％。“增加硫确实增加了设备的开路电压，”Mitzi说。“并且很明显，这不仅限于低效率，”这意味着还有更多改进的空间。
IBM本身没有制造这种锌锡硫硒电池的计划，而是倾向于许可这项技术。但是，该小组还在制造工艺方面取得了突破。典型的薄膜太阳能电池是通过在真空中以蒸汽形式沉积适用材料的一层而制成的，这既需要高能耗来汽化材料并维持真空，又需要进行密集的质量控制以最大程度地减少引入的缺陷。但是，IBM团队将其大部分材料以颗粒和溶液的混合物形式沉积，就像使用由溶液中的铜和锡与锌颗粒制成的锌锡硫硒“墨水”进行印刷一样。然后以蒸汽形式添加硫和/或硒。同样，诸如XsunX之类的公司正在努力从计算机硬盘驱动器制造商等行业引进一些基于蒸汽的沉积改进，用于太阳能电池业务。
这两种技术的最终好处可能是灵活性和成本——硅微丝和锌锡硫硒电池都可以想象地制成各种柔性设备，包括一些编织到织物中的设备，Mitzi说。已经，陶氏化学和Global Solar已经创建了一种太阳能屋顶瓦，该屋顶瓦使用CIGS薄膜电池来发电。
但是，就目前而言——尽管屋顶和地面光伏面板的安装正在蓬勃发展——太阳能发电仅占美国电力需求的约0.1％。新的薄膜技术旨在以较低的成本提高这一比例。“除非太阳能的成本能够与传统的碳基能源竞争，否则它不会起飞，”Mitzi说。太阳能“产量正在接近千兆瓦级。但是，如果人们真的希望太阳能起飞并解决世界范围内的大规模能源问题，则需要将其提高几个数量级。”