碳納米管太陽(yáng)能電池效率提升3 倍徘徊十年困局終被打破

美國(guó)西北大學(xué)的研究人員日前突破了碳納米管太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率近10 年來(lái)無(wú)法提升的困局，將其轉(zhuǎn)化效率從1%提高到了3%以上，讓一度沉寂的碳納米管太陽(yáng)能電池研究再次進(jìn)入了人們的視野。相關(guān)論文發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。

由于比傳統(tǒng)材料更輕更薄更靈活，碳納米管剛一問(wèn)世就被認(rèn)為是制造新型太陽(yáng)能電池的理想材料，但此后的嘗試卻讓科學(xué)家們屢屢受挫:不管采取什么方法，碳納米管太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)都在1%左右徘徊。這個(gè)數(shù)字不但無(wú)法和目前主流的硅太陽(yáng)能電池相提并論，與其他新近出現(xiàn)的新材料相比差的也不是一星半點(diǎn)。

但這項(xiàng)新研究無(wú)疑給人們帶來(lái)了新的希望。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)前不久報(bào)道，由西北大學(xué)材料工程學(xué)教授馬克·漢森開(kāi)發(fā)出的這種新技術(shù)讓碳納米管太陽(yáng)能電池的效率從1%提升到了3%，并成為首個(gè)被美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的碳納米管太陽(yáng)能電池。

漢森說(shuō):“近10 年來(lái)碳納米管太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一直徘徊在1%左右，甚至已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但我們打破了這一僵局。雖然絕對(duì)值仍然不高，但縱向比較仍然是一個(gè)顯著提升。”

漢森的絕招就是碳納米管的手性，即一個(gè)物體與其鏡像不重合的現(xiàn)象，具體來(lái)說(shuō)就是碳納米管的直與彎。當(dāng)碳卷曲成為碳納米管時(shí)，有可能存在上百種不同的手性。在過(guò)去，研究者傾向于選擇具有良好半導(dǎo)體性能的一類特定手性，并且盡量用它們制造出一塊完整的太陽(yáng)能電池板。但問(wèn)題是，每個(gè)碳納米管的手性只能吸收特定波長(zhǎng)范圍的光，這樣的太陽(yáng)能電池?zé)o法吸收大部分其他波長(zhǎng)的光。而漢森的研究團(tuán)隊(duì)制造了一塊包含多種手性的碳納米管太陽(yáng)能電池。

實(shí)驗(yàn)顯示，新型太陽(yáng)能電池與其前輩相比能夠吸收更廣泛波長(zhǎng)的陽(yáng)光。此外，這種新型太陽(yáng)能電池甚至能夠吸收近紅外波長(zhǎng)的陽(yáng)光，這是目前很多先進(jìn)的薄膜太陽(yáng)能電池都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

雖然對(duì)碳納米管而言這是一個(gè)重要的里程碑，但相對(duì)于其他材料這個(gè)轉(zhuǎn)換效率仍然比較落后。下一步，漢森的研究小組將對(duì)該技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，制造出一種具備多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合碳納米管太陽(yáng)能電池，每一層都將根據(jù)太陽(yáng)光譜中特定的波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，因而將能夠吸收更多的光。此外，他們還可能加入如有機(jī)或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料等新材料來(lái)補(bǔ)充碳納米管。

漢森說(shuō):“我們想要做的就是盡可能吸收更多的光子，并將其轉(zhuǎn)化為電能。換句話說(shuō)，就是制造出一種能夠一次性完美匹配多個(gè)波長(zhǎng)陽(yáng)光的太陽(yáng)能電池。這是這項(xiàng)研究的終極目標(biāo)。”