納米柱太陽(yáng)能電池
一種新的太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)將可降低制造成本同時(shí)應(yīng)用于大面積可撓的基板。加州大學(xué)柏克萊分校(University of California, Berkeley)的研究員設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)電池，將筆直的納米柱(nanopillar)數(shù)組長(zhǎng)在鋁箔上，可以彎曲，并可裝進(jìn)透明且富有彈性的高分子之中，這樣的設(shè)計(jì)，將使整個(gè)的制造成本低于我們常見(jiàn)的硅晶太陽(yáng)電池。帶領(lǐng)這個(gè)計(jì)劃的艾里?杰維(Ali Javey)，同時(shí)也是電機(jī)與信息系(electrical- engineering and computer-sciences)的教授提到，納米柱與一般硅晶或薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)相比，具有更便宜，使用等級(jí)較差材料的優(yōu)勢(shì)，更甚者，因?yàn)槭褂每蓳系匿X箔做為基板，適合卷的生產(chǎn)方式，這樣將有助于降低成本。這項(xiàng)工作屬于早期的開(kāi)發(fā)，仍無(wú)法精確計(jì)算整個(gè)的制造成本，不過(guò)可以確定的是，一旦使用卷對(duì)卷(roll-to-roll)制程，整個(gè)的成本將只有我們現(xiàn)在使用硅晶電池模塊的十分之一。
便宜的太陽(yáng)：
一種由硫化鎘的納米柱數(shù)組(右圖)長(zhǎng)在碲化鎘的基質(zhì)中，所組成的新型太陽(yáng)電池是可以彎曲的，其中包含鋁箔基板與包覆于外的高分子。
這個(gè)電池使用500納米高的硫化鎘(cadmium sulfide)柱子，均勻的長(zhǎng)在碲化鎘(cadmium telluride)之中，這兩種材料都是薄膜太陽(yáng)電池已在使用的半導(dǎo)體材料。艾里?杰維與他的同事將結(jié)果發(fā)表于自然材料(Nature Materials)，電池具有大約6%的光轉(zhuǎn)電效率，而其它納米柱太陽(yáng)電池的研究，不但使用較昂貴的生長(zhǎng)方式，其轉(zhuǎn)換效率也無(wú)法大于2%。傳統(tǒng)的電池，利用硅來(lái)吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生自由電子，而這些電子必須在與材料中缺陷或不純物結(jié)合之前傳遞至外部電路，因此對(duì)材料等級(jí)的要求，就非常的嚴(yán)格，一般越純、越貴的結(jié)晶硅制成電池的效率也越高。納米柱電池的設(shè)計(jì)則有別于硅：柱子周圍的材料吸收光，并透過(guò)柱子傳至外部電路，效率的提升來(lái)自于柱子的緊密排列有助于周圍材料吸收更多的光，產(chǎn)生的電子透過(guò)柱子，僅經(jīng)過(guò)很短的距離就傳導(dǎo)出去，所以再結(jié)合的機(jī)率就變少了，如此一來(lái)便可以使用等級(jí)較差、較便宜的材料。
其它使用納米結(jié)構(gòu)的電池，如哈佛大學(xué)化學(xué)系的查爾斯?利伯(Charles Lieber)，由硅制成的核與殼多層納米線(nanowires)。同為加州大學(xué)柏克萊分校，化學(xué)系的楊培東(Peidong Yang)利用氧化鋅(zinc oxide)納米線制成染料敏化電池(dye-sensitized solar cells)。這些納米線的電池都已達(dá)到4%的轉(zhuǎn)換效率。杰維與他的同事，首先利用陽(yáng)極氧化鋁箔得到納米柱的核，寬200納米的孔并周期性的排列著，作為結(jié)晶硫化鎘垂直生長(zhǎng)的模板，然后涂覆碲化鎘以及上電極，分別為銅膜和金膜，做好的電池可以組裝于玻璃面板或是將高分子溶液倒在表面并且成型，得到可撓的組件。
喬治亞理工學(xué)院(Georgia Tech)材料科學(xué)與工程(materials-science and engineering)的教授王中林(Zhong Lin Wang)提到，這是個(gè)令人振奮的突破，將納米材料與軟性基板結(jié)合成為可撓并且是可折迭的高效率太陽(yáng)電池。美國(guó)科羅拉多州高登市(Golden)國(guó)家再生性能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory)的物理化學(xué)家阿瑟?諾席克(Arthur Nozik)則提到，它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手將會(huì)是可撓的薄膜電池，材料包括硅、碲化鎘或是其它，但產(chǎn)品主要的特色應(yīng)該在于低價(jià)。
直到目前，研究人員仍繼續(xù)探索其它可以提升電池效率的材料。杰維提到，表面的銅-金層只有50%的穿透率，如果光可以全部穿透的話，效率將可以提升一倍，因此研究人員計(jì)劃使用氧化銦(indium oxide)這類透明的導(dǎo)電材料，如此一來(lái)，簡(jiǎn)單的改進(jìn)或是取代上電極材料將會(huì)使效率獲得提升。研究人員同時(shí)也希望嘗試其它半導(dǎo)體材料做成納米柱或是周圍的材料，杰維提到，組裝的過(guò)程并不會(huì)影響到這些半導(dǎo)體材料，但因?yàn)閾Q了材料可以提升效率，最重要的是，如此一來(lái)將沒(méi)有鎘的毒性問(wèn)題。加州大學(xué)柏克萊分校的楊指出結(jié)構(gòu)是最重要的關(guān)鍵，材料的部份則可以持續(xù)改善，而這篇文章展示了結(jié)構(gòu)的可行。
在鋁箔上生長(zhǎng)納米柱可制造光伏電池 成本僅為基于單晶硅的1/10
??美國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型太陽(yáng)能電池技術(shù)，這種太陽(yáng)能電池可通過(guò)在鋁箔上生長(zhǎng)直立的納米柱來(lái)制成，將整個(gè)電池封裝在透明的膠狀聚合物內(nèi)后就能制作出可彎曲的太陽(yáng)能電池，成本低于傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池。
領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的美國(guó)加州大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授阿里·杰威表示，與傳統(tǒng)硅和薄膜電池相比，納米柱技術(shù)可使研究人員使用更為廉價(jià)和低質(zhì)的材料。更重要的是，該技術(shù)更適于在薄鋁箔上制作出可卷曲的太陽(yáng)能電池板，從而降低了制造成本。一旦獲得成功，其生產(chǎn)成本將可低至單晶硅太陽(yáng)能板的1/10。
這種太陽(yáng)能電池是通過(guò)將統(tǒng)一的500納米高的硫化鎘嵌入碲化鎘薄膜中制成的，這兩種材料均是薄膜太陽(yáng)能電池中經(jīng)常使用的半導(dǎo)體。杰威及其同事在《自然·材料》上發(fā)表的報(bào)告稱，此種電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率可達(dá)6%。此前，也有科學(xué)家使用了這種立柱設(shè)計(jì)思想，但其方法較為昂貴，且光電轉(zhuǎn)換效率不到2%。
在傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池中，硅吸收光并產(chǎn)生自由電子，這些電子必須在受困于材料的缺陷或雜質(zhì)前到達(dá)電路。這就要求使用極為純凈、昂貴的晶體硅來(lái)制造高效光伏裝置。
納米柱就承擔(dān)了硅的職責(zé)，納米柱周圍的材料吸收光并產(chǎn)生電子，納米柱將其運(yùn)送到電路。這種設(shè)計(jì)以兩種方式來(lái)提高效率：緊密封裝的納米柱捕捉柱間的光，幫助周圍的材料吸收更多的光；電子以非常短的距離穿越納米柱，因此沒(méi)有太多的機(jī)會(huì)受困于材料的缺陷。這意味著可以使用低質(zhì)量的廉價(jià)材料。
有科學(xué)家使用不同的納米結(jié)構(gòu)來(lái)制作這種太陽(yáng)能電池。比如，哈佛大學(xué)化學(xué)教授查爾斯·里波爾研發(fā)了一種包含硅芯和同心硅層各異的納米線；加州大學(xué)伯克利分校的楊培東則開(kāi)發(fā)出了帶有氧化鋅納米線的染料敏化太陽(yáng)能電池。這些納米線太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了4%。
杰威及其同事制作的納米柱電池首次使用經(jīng)氧化處理的鋁箔，創(chuàng)建出呈周期性分布的200納米寬小孔，這些小孔作為硫化鎘晶體直立生長(zhǎng)的模板。然后，對(duì)碲化鎘和頂端電極飾以銅和金的薄膜。它們通過(guò)一塊玻璃板和電池相連，或是將其頂端投入聚合物溶液使其彎曲。
喬治亞理工學(xué)院的材料學(xué)和工程學(xué)教授王中林評(píng)價(jià)說(shuō)，將納米材料工程設(shè)計(jì)與制造柔性可彎曲高效太陽(yáng)能電池的各種軟基板技術(shù)集成在一起，這是一個(gè)令人興奮的進(jìn)展。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)太陽(yáng)能電池研究的物理化學(xué)家阿瑟·諾茲克則表示，這種電池要與由硅、碲化鎘和其他材料制成的柔性薄膜太陽(yáng)能電池進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，其賣點(diǎn)可能不在于其柔性，而是成本優(yōu)勢(shì)。
目前，研究人員正在探索使用可提高轉(zhuǎn)換效率的材料。例如，頂端的銅—金層現(xiàn)在僅有50%的透明度，如果可讓所有的光都透過(guò)，其效率就可增加一倍。因此，研究人員正計(jì)劃使用像氧化銦這樣的透明導(dǎo)電材料。另外，利用其他半導(dǎo)體材料作為納米柱及其周圍材料也在研究人員的考慮之中，這樣的制作工藝能適于更廣范圍的半導(dǎo)體材料，其他材料組合亦可能會(huì)提高效率，更重要的一點(diǎn)則是可以避免鎘的毒性問(wèn)題。