光伏电池中的碳纳米管阵列

光伏板组。图片来源:Thomas Kohler/CC BY-SA 2.0

硅和碳是地球上储存资源最丰富、物化性能最丰富的二中元素。近来,利用新型透明导电薄膜,如导电聚合物薄膜、碳纳米管薄膜、石墨烯等,开发廉价、高转换效率的硅基太阳能电池受到越来越多的关注。将特定导电薄膜转移至硅表面即可获得肖特基光伏电池。当光照射到此类电池器件上时,光生电子空穴对会在导电薄膜与硅之间所形成的结区(也称肖特基结)得以分离而实现光电转换。与传统硅电池相比,该类杂化电池的制备工艺大为简化,因而有望大幅度降低硅基光伏器件的成本。其中,碳纳米管薄膜因其较低的面电阻、易调制的透过率和高环境稳定性在高性能光伏器件研制中得到了广泛的关注。苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李清文研究员所在团队采用从可纺丝碳纳米管阵列中直接拉出的碳纳米管薄膜作为透明电构筑光伏电池

早在2007年,清华大学的科研人员报道了一项研究工作,即将一层半透明的碳纳米管薄膜转移至硅片表面制备得到了碳纳米管-硅太阳能电池,当时器件的转换效率仅有1.38%。后经工艺优化,次年该类器件的效率提升至7.4%。然而发现,碳纳米管的性能对器件性能有极大的影响。文献中碳纳米管薄膜多采用浮动化学气相沉积法和溶液抽滤法制备。这些方法均涉及繁琐的杂质去除和成膜过程,而且获得的薄膜的均匀性较差,这直接导致器件的性能差异较大。李清文所在的研究团队在可纺丝碳纳米管阵列的可控生长方面积累有着多年的研发经验(Adv. Mater., 2007, 19, 2567,Adv. Mater., 2007,19,4198,ACS Nano 2012, 6, 5457)。该类薄膜纯度非常高,而且具有自支撑的特性,这会在很大程度上简化器件的加工过程。

李清文研究员表示,由于阵列薄膜优异的结构均匀性、透明度与电学性能,从“有想法”到“有结果”经历了较为顺利的研发过程。初次器件的转化效率就得到了6%左右。她说:“为了进一步优化实验结构,理解碳纳米管结构对器件性能的影响,我们曾做了大量的尝试。一方面,我们对比了取向的双壁和多壁碳纳米管对器件性能的影响,发现双壁碳纳米管的性能最佳。另一方面,也对比研究了取向结构对优化电池性能的重要作用。发现易于坍塌的双壁结构与取向的碳纳排列有利于使得碳纳米管与硅之间形成较大的接触面积及为光生电荷提供捷径的传输通道,从而有利于提高光生电荷的分离效率以及器件的光电转化效率。”

     该项研究工作的难点是如何获得高质量的可纺丝碳纳米管阵列(取向碳纳米管薄膜的前驱体)。李老师的团队历经三年的时间,通过对催化剂的设计、阵列生长行为以及连续成膜机理的认识,实现了大面积可纺丝双壁碳纳米管阵列的可控制备,这为他们制备器件提供了材料基础(ACS Nano 2012, 6, 5457)。

“邸江涛博士设计并完成了本项工作的大部分实验,在器件结构优化与数据分析方面得到了郑新和研究员和苏州大学孙宝全教授的大力支持。所有的作者都参与了本工作的数据分析讨论以及论文的修改。”——李清文

    为了进一步提高该类电池的效率与工作稳定性,该领域内的科研人员需要深入理解和调控碳纳米管与硅的界面问题,如果碳纳米管与硅之间仅以物理搭接为主,这会降低光生电荷的收集效率;其次是进一步提高碳纳米管的质量和导电性,比如减少碳纳米管中的缺陷,实现碳纳米管结构可控,进而对其电学特性进行调控,这会对器件的性能起到很大的提升作用。

     随着碳纳米管制备技术与加工技术的长足进步,碳纳米管在光伏器件研制中会有越来越重要的应用前景,李清文研究员认为主要体现在以下三个方面。第一,构筑并优化碳纳米管/半导体有机、无机杂化结构,发展低成本、高效率和柔性碳纳米管-半导体太阳能薄膜电池。第二,以碳纳米管作为现行光伏器件中的添加促进剂,提高器件中电荷的传输及收集效率,进而提高光伏器件的性能。第三,实现对不同导电属性或手性碳纳米管的可控制备以及分离技术,以半导体型碳纳米管构筑二极管结构、以金属性碳纳米管的复合网络构筑电极,发展全碳型的高效率、宽光谱太阳能薄膜电池。她还表示,在以上器件中,具有取向结构的碳纳米管可以充分发挥其一维结构在电荷传输方面的优势,因此有望获得更佳的器件性能。

Xu Guangchen About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。