纳米柱太阳能电池

纳米柱太阳能电池

一种新的太阳电池设计将可降低制造成本同时应用于大面积可挠的基板。加州大学柏克莱分校(UniversityofCalifornia,Berkeley)的研究员设计新型太阳电池，将笔直的纳米柱(nanopillar)数组长在铝箔上，可以弯曲，并可装进透明且富有弹性的高分子之中，这样的设计，将使整个的制造成本低于我们常见的硅晶太阳电池。带领这个计划的艾里•杰维(AliJavey)，同时也是电机与信息系(electrical-engineeringandcomputer-sciences)的教授提到，纳米柱与一般硅晶或薄膜太阳电池技术相比，具有更便宜，使用等级较差材料的优势，更甚者，因为使用可挠的铝箔做为基板，适合卷的生产方式，这样将有助于降低成本。这项工作属于早期的开发，仍无法精确计算整个的制造成本，不过可以确定的是，一旦使用卷对卷(roll-to-roll)制程，整个的成本将只有我们现在使用硅晶电池模块的十分之一。

便宜的太阳：

一种由硫化镉的纳米柱数组(右图)长在碲化镉的基质中，所组成的新型太阳电池是可以弯曲的，其中包含铝箔基板与包覆于外的高分子。

这个电池使用500纳米高的硫化镉(cadmiumsulfide)柱子，均匀的长在碲化镉(cadmiumtelluride)之中，这两种材料都是薄膜太阳电池已在使用的半导体材料。艾里•杰维与他的同事将结果发表于自然材料(NatureMaterials)，电池具有大约6%的光转电效率，而其它纳米柱太阳电池的研究，不但使用较昂贵的生长方式，其转换效率也无法大于2%。传统的电池，利用硅来吸收太阳光并产生自由电子，而这些电子必须在与材料中缺陷或不纯物结合之前传递至外部电路，因此对材料等级的要求，就非常的严格，一般越纯、越贵的结晶硅制成电池的效率也越高。纳米柱电池的设计则有别于硅：柱子周围的材料吸收光，并透过柱子传至外部电路，效率的提升来自于柱子的紧密排列有助于周围材料吸收更多的光，产生的电子透过柱子，仅经过很短的距离就传导出去，所以再结合的机率就变少了，如此一来便可以使用等级较差、较便宜的材料。

其它使用纳米结构的电池，如哈佛大学化学系的查尔斯•利伯(CharlesLieber)，由硅制成的核与壳多层纳米线(nanowires)。同为加州大学柏克莱分校，化学系的杨培东(peidongYang)利用氧化锌(zincoxide)纳米线制成染料敏化电池(dye-sensiTIzedsolarcells)。这些纳米线的电池都已达到4%的转换效率。杰维与他的同事，首先利用阳极氧化铝箔得到纳米柱的核，宽200纳米的孔并周期性的排列着，作为结晶硫化镉垂直生长的模板，然后涂覆碲化镉以及上电极，分别为铜膜和金膜，做好的电池可以组装于玻璃面板或是将高分子溶液倒在表面并且成型，得到可挠的组件。

乔治亚理工学院(GeorgiaTech)材料科学与工程(materials-scienceandengineering)的教授王中林(ZhongLinWang)提到，这是个令人振奋的突破，将纳米材料与软性基板结合成为可挠并且是可折迭的高效率太阳电池。美国科罗拉多州高登市(Golden)国家再生性能源实验室(NaTIonalRenewableEnergyLaboratory)的物理化学家阿瑟•诺席克(ArthurNozik)则提到，它的竞争对手将会是可挠的薄膜电池，材料包括硅、碲化镉或是其它，但产品主要的特色应该在于低价。

直到目前，研究人员仍继续探索其它可以提升电池效率的材料。杰维提到，表面的铜-金层只有50%的穿透率，如果光可以全部穿透的话，效率将可以提升一倍，因此研究人员计划使用氧化铟(indiumoxide)这类透明的导电材料，如此一来，简单的改进或是取代上电极材料将会使效率获得提升。研究人员同时也希望尝试其它半导体材料做成纳米柱或是周围的材料，杰维提到，组装的过程并不会影响到这些半导体材料，但因为换了材料可以提升效率，最重要的是，如此一来将没有镉的毒性问题。加州大学柏克莱分校的杨指出结构是最重要的关键，材料的部份则可以持续改善，而这篇文章展示了结构的可行。

在铝箔上生长纳米柱可制造光伏电池成本仅为基于单晶硅的1/10

美国研究人员开发出一种新型太阳能电池技术，这种太阳能电池可通过在铝箔上生长直立的纳米柱来制成，将整个电池封装在透明的胶状聚合物内后就能制作出可弯曲的太阳能电池，成本低于传统的硅太阳能电池。

领导此项研究的美国加州大学电气工程和计算机科学教授阿里·杰威表示，与传统硅和薄膜电池相比，纳米柱技术可使研究人员使用更为廉价和低质的材料。更重要的是，该技术更适于在薄铝箔上制作出可卷曲的太阳能电池板，从而降低了制造成本。一旦获得成功，其生产成本将可低至单晶硅太阳能板的1/10。

这种太阳能电池是通过将统一的500纳米高的硫化镉嵌入碲化镉薄膜中制成的，这两种材料均是薄膜太阳能电池中经常使用的半导体。杰威及其同事在《自然·材料》上发表的报告称，此种电池将光能转换为电能的效率可达6%。此前，也有科学家使用了这种立柱设计思想，但其方法较为昂贵，且光电转换效率不到2%。

在传统太阳能电池中，硅吸收光并产生自由电子，这些电子必须在受困于材料的缺陷或杂质前到达电路。这就要求使用极为纯净、昂贵的晶体硅来制造高效光伏装置。

纳米柱就承担了硅的职责，纳米柱周围的材料吸收光并产生电子，纳米柱将其运送到电路。这种设计以两种方式来提高效率：紧密封装的纳米柱捕捉柱间的光，帮助周围的材料吸收更多的光；电子以非常短的距离穿越纳米柱，因此没有太多的机会受困于材料的缺陷。这意味着可以使用低质量的廉价材料。