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‘好运城’碳纳米管太阳能电池效率新突破

本文摘要:西北大学的研究人员最近突破了近10年来碳纳米管太阳能电池光电转换效率无法提高的困境,转换效率从1%提高到3%以上,使得一度沉寂的碳纳米管太阳能电池研究再次进入人们的视野。相关论文发表于《纳米快报》杂志。由于比传统材料更轻、更厚、更柔韧,碳纳米管一问世就被指出是生产新型太阳能电池的理想材料。然而,随后的尝试让科学家们屡屡受挫:无论采用什么方法,碳纳米管太阳能电池的光电转换效率总有一天会徘徊在1%左右。

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西北大学的研究人员最近突破了近10年来碳纳米管太阳能电池光电转换效率无法提高的困境,转换效率从1%提高到3%以上,使得一度沉寂的碳纳米管太阳能电池研究再次进入人们的视野。相关论文发表于《纳米快报》杂志。由于比传统材料更轻、更厚、更柔韧,碳纳米管一问世就被指出是生产新型太阳能电池的理想材料。然而,随后的尝试让科学家们屡屡受挫:无论采用什么方法,碳纳米管太阳能电池的光电转换效率总有一天会徘徊在1%左右。

这个数字不仅比不上目前主流的硅太阳能电池,而且不逊色于最近经常出现的其他新材料。但是这项新的研究无疑给人们带来了新的期望。据物理学家组织网9月4日(北京时间)报道,美国西北大学材料工程教授马克汉森(Mark Hansen)开发的这项新技术,将碳纳米管太阳能电池的效率从1%提高到3%,成为美国国家可再生能源实验室认证的第一个碳纳米管太阳能电池。汉森说:近10年来,碳纳米管太阳能电池的开关效率仍然徘徊在1%左右,甚至已经稳定了很长一段时间,但我们已经克服了这个僵局。

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虽然绝对值还是不低,但横向比较还是有显著提升的。汉森的诀窍是碳纳米管的手性,即一个物体与其镜像不重合的现象,具体来说就是碳纳米管的直线性和转动性。当碳卷曲成碳纳米管时,数百种不同的手性可能不存在。

过去,研究人员更喜欢自由选择一种具有良好半导体性能的特定手性,并尽可能多地使用它们来生产原始太阳能电池板。然而,问题是每个碳纳米管的手性不能吸收特定波长范围内的光,并且这种太阳能电池不能吸收大多数其他波长的光。

汉森的研究小组生产了一种具有多重手性的碳纳米管太阳能电池。实验表明,新的太阳能电池需要吸收比其前身更一般波长的阳光。

此外,这种新型太阳能电池甚至需要吸收近红外波长的太阳光,这是目前许多设备先进的薄膜太阳能电池无法构建的。虽然这是碳纳米管最重要的里程碑,但与其他材料相比,开关效率仍然相对落后。在下一步中,汉森的研究小组将改进技术,生产一种填充碳纳米管的无多层结构太阳能电池。

每一层都会根据太阳光谱中的特定波长进行优化,所以它需要吸收更好的光。此外,他们可能会添加有机或无机半导体材料等新材料来补充碳纳米管。汉森说:我们想做的是吸收更好的光子,并将其转化为电能。换句话说,有一种太阳能电池需要复用多种波长的太阳光。

这是本研究的最终目的。主编指出碳纳米管导电性好,光吸收率低,这也是为什么指出碳纳米管特别适合做太阳能电池的原因。但这方面的研究还处于非常早期的阶段,关键问题是人们能否找到合适的形态过程,进而理解控制碳纳米管中电荷产生和分离的原理。

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如今转化率超过过去10年的僵局,无疑大大增强了行业信心。但除非转化率能超过10%,否则作为太阳能电池,基本不适合商业化生产。


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