太陽能電池顧名思義就是把太陽光轉(zhuǎn)成電能，有越多太陽光被吸收，就能產(chǎn)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(chǎn)太陽能板時，會在硅表面制作抗反射層，降低反射的損失。反射率越低，就代表越多的光被硅吸收，轉(zhuǎn)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，由于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，一般來說要制作抗反射層，需要把硅表面蝕刻出微米甚至是奈米狀的粗糙結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越小越細，反射率就會越低。
這項技術(shù)本身并不難做到，黑硅（black silicon）也早就被研發(fā)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(zhuǎn)成電子后，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(zhuǎn)換成很多電子，但是就是因為黑硅表面細小的奈米結(jié)構(gòu)讓表面積大幅增加，也就讓更多的電子損失在表面。位于芬蘭的阿爾托大學（Aalto University）及西班牙加泰羅尼亞理工大學（Polytechnic University of Catalonia）共同發(fā)現(xiàn)利用原子層沉積（AtomicLayer Deposition， 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%，這項研究被發(fā)表在《自然奈米科技》 （Nature Nanotechnology） 上。
黑硅與傳統(tǒng)的深藍色的太陽能電池不同的地方在于，傳統(tǒng)硅太陽電池是利用堿液（通常是堿金族的氫氧化物），將硅表面蝕刻出類似金字塔的微米結(jié)構(gòu)；而黑硅是利用反應離子刻蝕（Reactive-Ion Etching， RIE）在表面蝕刻出奈米等級的小結(jié)構(gòu)。利用堿液蝕刻出來的結(jié)構(gòu)尺度較大，抗反射效果比較差，而且蝕刻過程損失的硅也比較多；而利用反應離子刻蝕不僅結(jié)構(gòu)小，損失掉的硅也比較少，抗反射效果也比較好。
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(jié)構(gòu)越細越小，反射率就越低、波段越寬，這也是為什么黑硅可以這么"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于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(shù)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。主持這項研究的Hele Savin教授表示：“這對身在北歐的我們尤其重要，大部分時間太陽都是用很低的角度入射。”
他們所發(fā)表的這項研究將黑硅太陽能電池的效率從18.2%推升到22.1%，可別小看這3.9%差距，在太陽能電池領域，提升1%都是大新聞了，更何況3.9%。目前黑硅太陽能電池尚未商業(yè)化，所以在路上還看不到這種黑黑的太陽能板，參與這項研究的研究員Pablo Ortega表示：“大概再過三四年，我們就可以看到黑硅的太陽能板出現(xiàn)在市場上并運用在工業(yè)界了。”
