Advanced Energy Materials:碳纳米管应用于光伏:从实验室到产业化

碳纳米管独特的几何结构造就其功能的多样性和特殊性,在能源和电子器件等领域有着广泛的应用。然而,长期以来,碳纳米管在光伏技术中的应用仅限于实验室层面的研究而未触及到产品开发。问题主要在于大面积制备纳米管器件的困难以及较低的能量转换效率。有机电化学钝化 [ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 44890;Appl. Phys. Lett., 2017, 110: 083904]和导电钝化接触(仅用单层薄膜同时实现界面缺陷钝化和载流子传输)[Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903851]为这一领域提供了里程碑的突破:通过开发有机/碳管复合油墨,工业化水平的器件面积(245.71 cm2)和效率(21.4%)得以实现[Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2004476]。这一结果为碳纳米管应用于光伏发电提供了全新的技术路线,使得碳纳米管从实验室走向产业化变得可能。

基于以上进展,近日,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) Dr. Benjamin S. Flavel、Dr. Han Li等和河北大学陈剑辉综述了这一领域的发展历程、提出了未来可能的技术路线和科学突破口,并对碳纳米管光伏技术所面临的挑战和机遇进行了梳理、讨论和展望。相关内容以“Carbon Nanotubes for Photovoltaics: From Lab to Industry”为题发表在Advanced Energy Material (DOI: 10.1002/aenm.202002880)。该综述主要包括三方面的内容:

第一、碳纳米管分离、提纯和宏量制备。进一步的提效离不开材料的高效分离和提纯。目前直接合成和控制生长单一手性的碳纳米管还存在挑战,而一些基于水溶液或者有机溶剂的“后合成分离技术”给碳纳米管光伏器件的发展提供了良好的材料基础。从分离不同电学性质的碳管,到分离不同管壁的单/双壁碳管,乃至到最后筛选出具有确定带隙的单一手性碳管[Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 1176ACS Nano 2019, 13, 2, 2567–2578],几乎可以实现对整个太阳光谱的吸收(400—2000 nm) [ACS Nano 2020, 14, 1, 948–963]。在各种分离技术中,基于双水相萃取(Aqueous Two Phases Extraction, ATPE)的分离方法具有较强的可扩展性和较低的成本,可能是未来分离制备工业化规模单一手性碳管的有力手段。

第二、有机电池中的碳纳米管。梳理了碳纳米管作为有机太阳电池吸收层和受主材料的研究进展,并讨论了未来碳纳米管在其他薄膜太阳电池中潜在应用。目前碳纳米管基薄膜电池效率较低,但碳纳米管独特的红外吸收优势,或可与硅或钙钛矿形成叠层电池,增强太阳光谱的红外利用率。

第三、碳纳米管/硅异质结太阳电池。文中首先介绍了主导当前光伏市场的硅基太阳电池技术的发展现状、效率进展以及产业化关键技术,如界面钝化和载流子选择接触技术。事实上,目前硅光伏技术已将单结太阳电池效率发展到了接近理论极限的水平,工程技术角度也已非常成熟,下一步的研究重点将转为“突极降本”,即,一是设法突破理论极限,例如采用钙钛矿-硅叠层电池;二、寻找更为廉价的新型吸收层(如钙钛矿)和钝化材料(如有机钝化[Sol. Energy Mater. Sol. 2019, 195, 99]),以及非硅掺杂的载流子选择接触材料(如过渡金属氧化物、导电聚合物和碳纳米管)等。其次,梳理了碳纳米管作为空穴选择接触与硅形成的碳纳米管/硅异质结太阳电池的原理、优势、技术瓶颈、里程碑突破以及未来的发展方向。一直以来,碳纳米管硅太阳电池采用一种小窗口结构,即先在硅片表面沉积绝缘层和电极材料形成窗口,然后将碳纳米管薄膜从溶液或者其他衬底转移到这个窗口上。这一设计的优点在于迎合了低维薄膜材料的转移制备同时便于进行化学掺杂,但是其缺点也是十分棘手的:(1) 面积受限,无法制备大尺寸器件;(2) 缺乏界面钝化;(3) 碳纳米管同时作为空穴选择层和窗口层,迫使其在光学和电学性能之间trade-off。这些问题使得电池效率不足15%,面积超过1 cm2都较为困难。第三,作者介绍了解决以上问题的突破性技术—有机电化学钝化的钝化机理、材料体系和制备方法,以及与碳纳米管/硅异质界面的匹配原理。有机钝化使得界面缺陷复合被大幅降低,同时导致工业化电池结构的实现。作者给出了未来的技术路线和科学突破口,并预测可以实现>23%的电池效率。最后,作者对未来面对的困难和挑战,如稳定性问题,进行了讨论和展望。