“到2015年太陽(yáng)能發(fā)電將達(dá)到15吉瓦，年發(fā)電量200億千瓦時(shí)�！比绻f《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中的這段文字給我們昭示的是光伏產(chǎn)業(yè)不可限量的未來，那么在2011年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展中，北京大學(xué)彭練矛教授的科研團(tuán)隊(duì)取得的“實(shí)現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)”研究成果則有望將光伏產(chǎn)業(yè)的這一目標(biāo)拉近許多。專家認(rèn)為，該突破性成果將推動(dòng)碳納米管這一有望對(duì)下一代光伏技術(shù)產(chǎn)生重要影響的新材料的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
據(jù)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(yōu)異的電學(xué)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(dǎo)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(yáng)光，這些特性對(duì)于光伏應(yīng)用都非常重要。然而，由半導(dǎo)體型單壁碳納米管產(chǎn)生的光伏電壓一般低于0.2伏特，這么低的電壓對(duì)于光伏太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用來說顯然不夠。
針對(duì)這一問題，北京大學(xué)納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭練矛教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的提出，通過金屬電極—半導(dǎo)體碳納米管材料間能級(jí)匹配的“有效接觸”，實(shí)現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)。其工藝極其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。據(jù)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(gè)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(zhǎng)的太陽(yáng)光。另外由于碳納米管的碳碳鍵是自然界最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，在制備過程中采用無摻雜工藝，這種碳納米管太陽(yáng)能電池在極端環(huán)境，比如高溫、極低溫或者充斥宇宙輻射的環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。
太陽(yáng)能電池追求的總體目標(biāo)仍然是提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。目前以晶體硅為代表的第一代太陽(yáng)能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)的主流。據(jù)了解，晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本較高，每瓦超過1.5美元，且光電轉(zhuǎn)化率提升面臨一定的技術(shù)瓶頸。第二代薄膜太陽(yáng)電池太陽(yáng)能電池所需原料少，生產(chǎn)成本低，但轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，僅為8%左右。因此，亟須一種能夠突破現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸，兼顧降低成本和提高光電轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池新技術(shù)。
據(jù)北京大學(xué)王勝博士介紹，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池工藝大多采用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)碳納米管高效光伏倍增效應(yīng)的新技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，且不需要摻雜任何元素，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池比較，成本可以大大降低，理論估算光電轉(zhuǎn)化率可以超過20%。另外，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受限于材料本身，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也還沒有進(jìn)一步優(yōu)化，因此，隨著材料的優(yōu)化和研究的深入，該技術(shù)的光電轉(zhuǎn)化率會(huì)進(jìn)一步提高。
王勝博士表示，新技術(shù)加工工藝簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好，從整體來看在光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但若要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還要面臨很多挑戰(zhàn)，最主要的瓶頸是碳納米材料可控規(guī)模制備。他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，雖然目前可以通過化學(xué)提純的方法得到性能好的碳納米材料，但做到大規(guī)模的量產(chǎn)還是有困難的，因此還需要材料和化學(xué)各領(lǐng)域的專家一起努力來解決這個(gè)問題，以便使該材料應(yīng)用到更多領(lǐng)域。
據(jù)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(yōu)異的電學(xué)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(dǎo)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(yáng)光，這些特性對(duì)于光伏應(yīng)用都非常重要。然而，由半導(dǎo)體型單壁碳納米管產(chǎn)生的光伏電壓一般低于0.2伏特，這么低的電壓對(duì)于光伏太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用來說顯然不夠。
針對(duì)這一問題，北京大學(xué)納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭練矛教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的提出，通過金屬電極—半導(dǎo)體碳納米管材料間能級(jí)匹配的“有效接觸”，實(shí)現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)。其工藝極其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。據(jù)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(gè)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(zhǎng)的太陽(yáng)光。另外由于碳納米管的碳碳鍵是自然界最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，在制備過程中采用無摻雜工藝，這種碳納米管太陽(yáng)能電池在極端環(huán)境，比如高溫、極低溫或者充斥宇宙輻射的環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。
太陽(yáng)能電池追求的總體目標(biāo)仍然是提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。目前以晶體硅為代表的第一代太陽(yáng)能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)的主流。據(jù)了解，晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本較高，每瓦超過1.5美元，且光電轉(zhuǎn)化率提升面臨一定的技術(shù)瓶頸。第二代薄膜太陽(yáng)電池太陽(yáng)能電池所需原料少，生產(chǎn)成本低，但轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，僅為8%左右。因此，亟須一種能夠突破現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸，兼顧降低成本和提高光電轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池新技術(shù)。
據(jù)北京大學(xué)王勝博士介紹，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池工藝大多采用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)碳納米管高效光伏倍增效應(yīng)的新技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，且不需要摻雜任何元素，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池比較，成本可以大大降低，理論估算光電轉(zhuǎn)化率可以超過20%。另外，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受限于材料本身，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也還沒有進(jìn)一步優(yōu)化，因此，隨著材料的優(yōu)化和研究的深入，該技術(shù)的光電轉(zhuǎn)化率會(huì)進(jìn)一步提高。
王勝博士表示，新技術(shù)加工工藝簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好，從整體來看在光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但若要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還要面臨很多挑戰(zhàn)，最主要的瓶頸是碳納米材料可控規(guī)模制備。他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，雖然目前可以通過化學(xué)提純的方法得到性能好的碳納米材料，但做到大規(guī)模的量產(chǎn)還是有困難的，因此還需要材料和化學(xué)各領(lǐng)域的專家一起努力來解決這個(gè)問題，以便使該材料應(yīng)用到更多領(lǐng)域。
