硅是電子時代的元素。從微小的微芯片到龐大的液晶電視屏幕，半導體非金屬在定義現代生活的設備中起著核心作用。

但硅的用途遠遠超出計算和消費電子產品。它適用于各種工業和技術應用，包括太陽能技術。黑色硅是一種吸收99%光線的變體，可制造出功能強大的太陽能電池板。

現在，由材料科學與工程教授王旭東和研究生Yanhao Yu領導的威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員和他們在北京科技大學的合作者，岳章教授和鄭章教授正在報道納米技術的突破，幫助為清潔燃料生產中的黑色硅動力革命奠定基礎。

承諾和挑戰在于黑硅的特殊納米結構。典型的硅具有相對光滑的納米結構。同時，黑硅的納米結構非常粗糙。這種粗糙的紋理使得入射光反射回硅中而不是像典型的硅那樣反射出來。

光吸收質量使得黑硅成為太陽能電池板的有吸引力的材料，太陽能電池板需要盡可能多地吸收光的太陽能，以最大限度地提高效率。該技術發展良好，還有其他方法可以使黑硅的光吸收特性變得有用。

如果研究人員能夠弄清楚如何克服黑硅粗糙納米結構造成的關鍵障礙，那就是這樣。

王的研究主要集中在這個障礙上。他希望將黑硅用作太陽能發電機等化學能源，如氫燃料。這個想法是，黑色硅的功率源于其高效的太陽能吸收，可用于分解水分子，并通過光電化學過程產生氫燃料。這將代表現有氫燃料生產方法的有效，可再生和清潔的替代方案。

有一個問題：黑色硅的表面雖然具有光吸收特性，但由于質地粗糙，因此非常不穩定且具有反應性。

這種反應性表面在氫燃料生產的背景下尤其成問題，因為通過分裂氫和氧原子產生氫燃料的最佳液體實際上不是純水。相反，電解質溶液如氫氧化鈉比水更具導電性，在將太陽能轉化為氫燃料的光電化學過程中效率更高。

但氫氧化鈉具有很強的腐蝕性。當黑色硅與溶液接觸時 - 因為必須主動產生氫燃料的光電化學過程 - 其反應表面會迅速腐蝕并變得無用。

為了解決這個問題，Wang的團隊試圖為黑硅的粗糙和反應性表面提供保護涂層。涂層需要足夠厚以防止電解質與黑硅接觸，但足夠薄以使硅吸收陽光。為了實現這一目標，Wang使用了一種稱為原子層沉積的技術，該技術將表面暴露于氣態前體，從而形成無針孔且非常均勻的薄膜。在這種情況下，王在黑硅表面沉積了一層10納米厚的二氧化鈦。結果非常有希望。

二氧化鈦不僅提供保護涂層，防止腐蝕性電解質與硅反應，它很薄，不會影響光吸收。Wang表示，它還可以通過減少黑硅表面缺陷來提高整個能量轉換過程的效率。

“這一發展確實展示了這項技術的可行性，”王說。“這是一個非常活躍的研究領域的基礎研究，我認為可以帶來重大的研究機會。”

Wang團隊的下一步是弄清楚如何最大限度地延長薄保護涂層的使用壽命。目前，涂層的使用壽命不長，不足以使該技術具有商業可行性。但王說，自從他們首次成功展示其可行性以來，他的團隊已經大大改善了其生命周期。如果它們能夠延長其使用壽命，可能很快就會有一天能夠負擔得起的太陽能氫燃料供應，這將代表一種特別清潔和可再生的燃料供應。