用碳納米管研制高效太陽(yáng)能電池的方法

美國(guó)康奈爾大學(xué)（Cornell University）研究人員制作出高效太陽(yáng)能電池的基本元素，很有希望以更有效的方式將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電力。利用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅技術(shù)。

研究人員制作并測(cè)試、檢測(cè)了一種叫作光電二極管的簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能電池，它由一個(gè)獨(dú)立的碳納米管形成。這項(xiàng)研究在康奈爾納米系統(tǒng)中心和康納爾納米科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，以及國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和先進(jìn)材料、結(jié)構(gòu)、器件微電子研究公司共同支持下完成。這項(xiàng)研究由康奈爾大學(xué)物理學(xué)Goldwin Smith教授Paul McEuen和化學(xué)及生物化學(xué)助理教授Jiwoong Park共同領(lǐng)導(dǎo)，他們描述了如何通過(guò)增加載流子的數(shù)量，使得器件能非常高效地將光能轉(zhuǎn)化為電能。這種方法證明了下一代高效太陽(yáng)能電池的重要性。

“我們不僅僅在研究新材料，實(shí)際上也在將其付諸于應(yīng)用，創(chuàng)造出真正的太陽(yáng)能電池器件，” 該論文的第一作者、McEuen實(shí)驗(yàn)室研究生Nathan Gabor指出。

研究人員采用了由石墨烯薄片卷制而成的單壁碳納米管，來(lái)制作太陽(yáng)能電池。其尺寸與DNA分子相當(dāng)，納米管在兩個(gè)電連接間導(dǎo)通，并靠近分別帶正、負(fù)電荷的兩個(gè)電極。這項(xiàng)研究采用單壁納米管，某種程度上是受先前所做的二極管研究啟發(fā)，二極管是很簡(jiǎn)單的晶體管形式，只允許電流在一個(gè)方向上移動(dòng)?？的螤栄芯啃〗M想看看，采用類(lèi)似的方法能產(chǎn)生怎樣的結(jié)果，而這次對(duì)納米管進(jìn)行光照。

利用不同顏色的激光照射納米管，在將光能轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)更高能量的光子產(chǎn)生的電流具有放大效應(yīng)。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，狹長(zhǎng)、圓柱形的碳納米管使得電子能平滑地逐個(gè)擠過(guò)納米管。電子穿過(guò)納米管后受激發(fā)，并產(chǎn)生新的電子繼續(xù)移動(dòng)。他們表示，納米管可能是個(gè)理想的光伏電池，因?yàn)橥ㄟ^(guò)利用光的多余光能量，它能使電子再創(chuàng)造出更多的電子。

這看起來(lái)不像是目前的太陽(yáng)能電池，傳統(tǒng)的電池里額外的能量往往以熱量的形式流失，而且電池還需要不斷的外部冷卻。

盡管他們已經(jīng)制作出了器件，但是如何在量產(chǎn)中獲得便宜且可靠的這種器件，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)還是很大的挑戰(zhàn)，Gabor說(shuō)，“我們所觀察到的只是其物理表現(xiàn)”。

在碳納米管材料制成的光電二極管中，當(dāng)陽(yáng)光照射到器件上時(shí)，電子（藍(lán)色）和空穴（紅色）釋放過(guò)剩能量，更有效地創(chuàng)造出更多的電子-空穴對(duì).