新碳纳米管天线可收集更多太阳光

2010-9-21 10:01 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网近日报道,美国研究人员首次利用碳纳米管制成了一种可捕捉和收集太阳光的“天线”,其收集太阳光的效率是普通光伏电池的100倍,该新天线可使用在太阳能电池中,提高其光电转化效率。新技术有望使研究人员研发出更小更强大的太阳能电池阵列。该研究发表在最新出版的《自然·材料》杂志在线版上。

  麻省理工学院(MIT)化学副教授迈克尔·斯特拉诺领导的研究团队表示,新天线也可用于其他需要聚光的领域,包括用来制作夜视仪或望远镜等。

  太阳能电池板通过将光子转变为电流来产生电力,斯特拉诺的碳纳米管天线增加了能够被捕捉到的光子数量,并可将捕捉到的光子转变为能量“放入”太阳能电池中。

  新天线是一条约10微米长、4微米厚的纤维绳,其中包含约3000万个碳纳米管,这些纳米管具有不同的导电性(能带隙),分布在纤维绳的内外两层。

  在任何物质中,电子以不同的能级存在。当一个光子照射到物体表面时,它会将电子激发到更高的能级。得到了能量的电子和它到达新的能级后留下的空穴之间的库仑吸引互作用,在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起,这样形成的复合体称为激子。空穴和电子之间能量层级的不同被称为能带隙。

  新天线内层包含的碳纳米管的能带隙较小;外层碳纳米管的能带隙更高。这一点很重要,因为激子可能从高能带隙流向低能带隙。这意味着,外层的激子会流到内层。因此,当光线照射物体时,所有激子都会流到纤维绳的中心,并聚集在那儿。

  斯特拉诺团队表示,他们将在一个半导体物质的核心周围搭建这样的天线来组装一个太阳能电池。半导体和碳纳米管的接口可以把电子从空穴分开,电子将汇聚在一个电极上,这个电极同内部的半导体接触;空穴汇聚在另一个电极,这个电极同碳纳米管接触,这样整个系统就会产生电流。该太阳能电池效率的高低主要取决于电极所使用的材料。

  最近,科学家研发出了不同属性的碳纳米管,让斯特拉诺团队可以控制该碳纳米管纤维不同层的性质。

  斯特拉诺团队现在正在想方设法减少激子通过纤维时的能量损失,同时让每个光子产生的激子更多。目前,碳纳米管天线的能源损失率为13%,但是,该研究团队正在努力研发的新天线,其能源损失率目标仅为1%。