基于纳米管的太阳能电池转化效率达3.1%

1991年，碳纳米管(CNTs)第一次被发现。尤其是单壁碳纳米管(SWCNTs)的发现，由于其独特的光学性质和多用途的特性，备受瞩目。

虽然碳纳米管提供了有趣的物理特性，但无机太阳能电池的功率转换效率(PCE)仍然比较低。意大利帕勒莫大学Bruno Pignataro教授说：“就PCE来说，像是碳纳米管这样的有机材料，与无机太阳能电池材料(PCE大40%)相比没有竞争力。然而，它们可以用于柔性/塑料太阳能电池，因为这些材料很稳定，可以在低温环境下进行处理而不用改变塑料基板。”

在第一个10年，CNT基太阳能电池能够实现的转换效率一直在1%左右徘徊，一些研究人员担心已经到了顶点。但是，最近几个月发表的论文表明，实现效率的大飞跃仍然是有可能的。最近的研究进展大致分为两类：一个是将碳纳米管薄膜集成在传统的太阳能器件上，另一个是用单个或多个纳米管制备结构。麦考密克工程学院材料科学工程教授Mark Hersam博士和他的西北大学研究团队与来自堪萨斯大学和麻省理工学院的研究人员，合作研发的新型碳纳米管太阳能电池。这种电池得益于聚手性，或叫多手性，和半导体纳米管的混合物。混合物结构采用多层富勒烯和直径0.8~1.2nm的单壁碳纳米管，吸收范围延伸到近红外波段，将光电流最大化。电池的转化效率达到是3.1%。对于碳纳米管太阳能电池的效率，这是一个令人印象深刻的飞跃，但与其他材料(例如硅)相比，仍然有差距。相关成果发表在NanoLetters期刊(doi：10.1021/nl5027452)。Hersam的团队下一步是制备有多层结构的聚手性碳纳米管太阳能电池，多层结构需要针对太阳光谱中特定部分做优化，从而能够利用到更多的光。为了完善补充对碳纳米管的研究，对其他方案也进行了尝试，包括与其他材料整合，例如有机或无机半导体。但是，极高的转化效率不会一直是必须要实现的目标，碳纳米管有很多其他的优点(正如之前讨论的)，这些优点弥补了它们目前在效率上的缺陷。　　

图2.富勒烯光敏材料衍生物

图3.非共价杂化衍生物：通过与芘基团在侧壁的相互作用，金纳米颗粒附着在碳纳米管上

虽然生产碳纳米管可能比硅便宜，但它自身有一些缺点，其中包括与它们的合成、提纯、功能化、加工和器件集成相关的问题。Hersam的团队说：“这个场——通常这种碳纳米管场是真存在的——最大的挑战之一是制备大尺寸单手性（纳米）单壁碳纳米管的能力。”更重要的是，单壁碳纳米管从纳米尺度的物体到大尺度薄膜的制备是一个挑战。如果有方法可以将单壁碳纳米管按照需要的特定手性进行制备，将会真正迎来一个飞跃。在其他研究中，将碳纳米管与其他半导体模型(例如，硅)相结合，初步获得的结果令人鼓舞。举个例子，纳米管-异质结太阳能电池，已经证明转换效率可高达14%左右。