在铝箔上生长纳米柱可制造太阳能电池
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下一篇 2011-07-23 16:16:54
美国研究人员开发出一种新型太阳能电池技术，这种太阳能电池可通过在铝箔上生长直立的纳米柱来制成，将整个电池封装在透明的胶状聚合物内后就能制作出可弯曲的太阳能电池，成本低于传统的硅太阳能电池。
领导此项研究的美国加州大学电气工程和计算机科学教授阿里·杰威表示，与传统硅和薄膜电池相比，纳米柱技术可使研究人员使用更为廉价和低质的材料。更重要的是，该技术更适于在薄铝箔上制作出可卷曲的太阳能电池板，从而降低了制造成本。一旦获得成功，其生产成本将可低至单晶硅太阳能板的1/10。
这种太阳能电池是通过将统一的500纳米高的硫化镉嵌入碲化镉薄膜中制成的，这两种材料均是薄膜太阳能电池中经常使用的半导体。杰威及其同事在《自然·材料》上发表的报告称，此种电池将光能转换为电能的效率可达6%。此前，也有科学家使用了这种立柱设计思想，但其方法较为昂贵，且光电转换效率不到2%。
在传统太阳能电池中，硅吸收光并产生自由电子，这些电子必须在受困于材料的缺陷或杂质前到达电路。这就要求使用极为纯净、昂贵的晶体硅来制造高效光伏装置。
纳米柱就承担了硅的职责，纳米柱周围的材料吸收光并产生电子，纳米柱将其运送到电路。这种设计以两种方式来提高效率：紧密封装的纳米柱捕捉柱间的光，帮助周围的材料吸收更多的光；电子以非常短的距离穿越纳米柱，因此没有太多的机会受困于材料的缺陷。这意味着可以使用低质量的廉价材料。
有科学家使用不同的纳米结构来制作这种太阳能电池。比如，哈佛大学化学教授查尔斯·里波尔研发了一种包含硅芯和同心硅层各异的纳米线；加州大学伯克利分校的杨培东则开发出了带有氧化锌纳米线的染料敏化太阳能电池。这些纳米线太阳能电池的光电转换效率已达到了4%。
杰威及其同事制作的纳米柱电池首次使用经氧化处理的铝箔，创建出呈周期性分布的200纳米宽小孔，这些小孔作为硫化镉晶体直立生长的模板。然后，对碲化镉和顶端电极饰以铜和金的薄膜。它们通过一块玻璃板和电池相连，或是将其顶端投入聚合物溶液使其弯曲。
乔治亚理工学院的材料学和工程学教授王中林评价说，将纳米材料工程设计与制造柔性可弯曲高效太阳能电池的各种软基板技术集成在一起，这是一个令人兴奋的进展。美国国家可再生能源实验室负责太阳能电池研究的物理化学家阿瑟·诺兹克则表示，这种电池要与由硅、碲化镉和其他材料制成的柔性薄膜太阳能电池进行竞争，其卖点可能不在于其柔性，而是成本优势。
目前，研究人员正在探索使用可提高转换效率的材料。例如，顶端的铜—金层现在仅有50%的透明度，如果可让所有的光都透过，其效率就可增加一倍。因此，研究人员正计划使用像氧化铟这样的透明导电材料。另外，利用其他半导体材料作为纳米柱及其周围材料也在研究人员的考虑之中，这样的制作工艺能适于更广范围的半导体材料，其他材料组合亦可能会提高效率，更重要的一点则是可以避免镉的毒性问题。
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