碳納米管高效光伏倍增效應技術

“到2015年太陽能發電將達到15吉瓦，年發電量200億千瓦時。”如果說《可再生能源發展“十二五”規劃》中的這段文字給我們昭示的是光伏產業不可限量的未來，那么在2011年度中國科學十大進展中，北京大學彭練矛教授的科研團隊取得的“實現碳納米管的高效光伏倍增效應”研究成果則有望將光伏產業的這一目標拉近許多。專家認為，該突破性成果將推動碳納米管這一有望對下一代光伏技術產生重要影響的新材料的實際應用，對光伏產業技術發展具有重要意義。

　　據彭練矛教授介紹，作為典型的一維納米材料，碳納米管具有極其優異的電學和光電特性。碳納米管材料不但是理想的納電子材料，還是直接帶隙材料，具有不同尋常的光電特性。另外，由于半導體碳納米管的帶隙一般小于1電子伏特，能夠高效吸收從紫外到近紅外的寬廣的光譜，從而充分地利用太陽光，這些特性對于光伏應用都非常重要。然而，由半導體型單壁碳納米管產生的光伏電壓一般低于0.2伏特，這么低的電壓對于光伏太陽能電池實際應用來說顯然不夠。

　　針對這一問題，北京大學納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛教授領導的團隊創造性的提出，通過金屬電極—半導體碳納米管材料間能級匹配的“有效接觸”，實現碳納米管的高效光伏倍增效應。其工藝極其簡單，穩定性好。據彭教授介紹，該工藝裝置只需要在一根碳管上制備兩種不同類型的金屬接觸電極，便可以形成一個基本的器件單元，而且可以通過選擇直徑來控制碳管的帶隙，從而選擇性吸收不同波長的太陽光。另外由于碳納米管的碳碳鍵是自然界最強的化學鍵之一，在制備過程中采用無摻雜工藝，這種碳納米管太陽能電池在極端環境，比如高溫、極低溫或者充斥宇宙輻射的環境中能夠穩定工作。

　　太陽能電池追求的總體目標仍然是提高轉換效率和降低成本。目前以晶體硅為代表的第一代太陽能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽能電池是光伏市場的主流。據了解，晶體硅太陽能電池生產成本較高，每瓦超過1.5美元，且光電轉化率提升面臨一定的技術瓶頸。第二代薄膜太陽電池太陽能電池所需原料少，生產成本低，但轉換效率相對較低，僅為8%左右。因此，亟須一種能夠突破現有產業化技術瓶頸，兼顧降低成本和提高光電轉化效率的太陽能電池新技術。

　　據北京大學王勝博士介紹，傳統的太陽能電池工藝大多采用半導體摻雜技術，而實現碳納米管高效光伏倍增效應的新技術工藝簡單，且不需要摻雜任何元素，與傳統的太陽能電池比較，成本可以大大降低，理論估算光電轉化率可以超過20%。另外，當前的實驗結果受限于材料本身，在器件結構設計等方面也還沒有進一步優化，因此，隨著材料的優化和研究的深入，該技術的光電轉化率會進一步提高。

　　王勝博士表示，新技術加工工藝簡單、成本低、穩定性好，從整體來看在光伏產業領域應用前景廣闊。但若要實現產業化還要面臨很多挑戰，最主要的瓶頸是碳納米材料可控規模制備。他同時強調，雖然目前可以通過化學提純的方法得到性能好的碳納米材料，但做到大規模的量產還是有困難的，因此還需要材料和化學各領域的專家一起努力來解決這個問題，以便使該材料應用到更多領域。