納米技術在太陽能電池中的應用展望

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納米技術在太陽能電池中的應用展望

王昌浩（上海交通大學機械與動力工程學院）

單晶硅太陽能電池是目前太陽能電池市場上的主導產品，但存在生產成本高、體積大、轉化效率低等問題。為尋求新型替代技術，重點介紹了碳納米管的技術現狀及基本特性，對其在太陽能電池中的應用可行性進行了分析，認為納米太陽能薄膜在未來具有良好的應用前景。

太陽能；太陽能電池；納米技術；碳納米管

1　引言

人類自工業革命后，對化石能源的大量開采與使用，使得不可再生能源越來越少，并且隨著地球環境的惡化，人類急需一些既環保、又具有可持續性的新能源來逐步替代傳統化石能源，太陽能無疑迎合了這種發展需求。相比于其他新能源，如氫能（地球上原料少、難以儲存）、潮汐能（投資巨大，效益不高）、可燃冰（開發難度極大），太陽能具有資源豐富、轉化效率高、不需要儲存的優點。據測算，太陽在40 min內照射到地球表面的能量可供全球以目前的消費速度使用1年，所以合理高效地利用好太陽能將是人類解決能源問題的長期發展戰略。我國《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》提出，到2020年，非化石能源占一次能源消費比重達到15%，光伏裝機達到1×108kW左右?？梢灶A見的是，未來太陽能電池產業將會有較大的發展，而納米技術的應用也將大大提升太陽能電池的性能，成為未來幾十年內的一個重要發展方向。

2　太陽能電池的技術特點

太陽能電池是通過光電效應或光化學效應直接把光能轉化為電能的裝置，具有許多其他發電方式所不具備的優點：不消耗燃料，不受地域限制，能量充足，無污染、無噪聲，安全可靠，維護簡單，最具有大規模應用的可能性。因此，太陽能電池有望成為人類絕對清潔且取之不盡用之不竭的能源，然而，要想做到這一點，需要滿足3個條件：便宜的制造元件；廉價且能耗低的制造方法；高轉化效率。

目前，太陽能電池主要有晶體硅型和薄膜型2大類型，晶體硅太陽能電池又可分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。其中，單晶硅太陽能電池在大規模應用和工業生產中占據主導地位。從轉換效率看，單晶硅太陽能電池在實驗室的轉換效率可達25%，而工業生產的光電轉換效率僅為15%，且單晶硅要求的晶體純度達99.999 999%以上［1］。目前，單晶硅太陽能電池的制造工藝已相當成熟，其生產主要采用西門子法，從多晶硅中提煉出單晶，然后通過拉硅單晶棒、切割得到單晶硅圓片，再經過刻蝕，最后生產成太陽能電池組件?？傮w上看，現有太陽能電池在推廣應用上還存在一定難度，存在以下不足：

1）由于太陽能電池一般由超純凈的單晶硅圓片制成，為盡可能多地吸收太陽光，這種非常昂貴的材料厚度較厚，其生產過程能耗高，生產成本也相當高。

2）電池體積較為龐大，且轉化效率較低。

3）受到天氣情況的制約。

4）需要較高的維護費用。

為此，開發應用低成本、高效率的太陽能電池技術（如納米太陽能電池技術）已顯得愈加重要。

3　碳納米管制造及基本特性

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，它是研究結構尺寸在0.1～100 nm范圍內材料的性質和應用的一門學科。納米技術的應用是建立在表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應等基礎之上。應用納米技術，可以使得元件向體積更小的方向發展，由微型的元件組裝成的產品尺度會大大減小，節約空間，提高效率。

3.1碳納米管制造

碳納米管是1種具有特殊結構的一維納米材料。自1991年發現碳納米管以來，已有數十種合成碳納米管的方法問世，也發現了一些新的轉化途徑［2］，如：碳蒸發法，該方法包括電弧法、激光燒灼法、等離子體法、太陽能法等，都是用石墨或者是含碳量高的煤作原料，在極高溫度下，使原料中碳原子蒸發，之后在不同惰性或非氧化氣氛中，使用特定的環境壓強和不同類型的金屬催化劑，使蒸發后的碳原子合成碳納米管。其他方法還包括：含碳氣體以及烴類或有機金屬化合物的催化熱解法，固相熱解法，電化學法，含碳無機物轉化法，環芳構化形成筒狀齊聚物法等。

這些方法的出現都有近十幾年的歷史，技術都比較成熟。近些年來在玻璃上規則地操控碳納米管生長，在實驗室已成功實現。

3.2光電效應

碳納米管的光電效應是由納米材料的量子尺寸效應所決定的。我們知道，在宏觀尺寸情況下，金屬費米能級附近的電子能級往往是連續的，即大粒子或宏觀物體的能級間距幾乎為零。但當粒子尺寸下降到某一值（如達到納米級）時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散并使能級變寬。所以當光子照射碳納米管時，電子很容易掙脫原子的引力從而產生電流，這也說明了用納米材料發電轉化效率很高［3］。

目前，人們已經完成在碳納米管上進行光電效應的實驗，證明了應用碳納米管來發電是可行的。

3.3導電性與物理抗性

由于納米材料的量子隧道效應及介電限域效應，納米材料對電流的阻礙很小，在產生電流之后的損耗也很小。目前超導的納米導線已經制出。

此外，根據納米材料的“荷葉效應”，我們知道當表面較為粗糙，即接觸角很大時不易被沾附上雨水，并且由于表面粗糙可以使得光線更容易被吸收，增強發電效果，同時表面粗糙還可以防止由于玻璃表面過于光滑而形成鏡面反射造成光污染。

3.4透明納米材料

由于納米材料的表面效應，體積越小的顆粒其比表面積會越大，所以對光的吸收會更好。在現實生活中我們也能清晰地感受到這一點：比如金屬鋁的固體在平?？磥硎前l出銀白色金屬光澤的，但是鋁的粉末確實是黑色的，這就說明體積的減小使其比表面積增大，對光的吸收增強，所以變為黑色。既然這樣，也許有人會有疑問，納米材料的體積更小，對光的吸收性能更強，不應該是黑色的嗎？怎么會是透明的？對此，相關研究成果已給出了答案，透明的納米材料是可以制成的［4］。這是因為物質的透明不透明分為2種情況：

1）對于分子排列無規則的物體，如果密度很小，則是透明的，如空氣、水等物質；如果密度很大，則是不透明的，如巖石、木材等。

2）對于分子排列有規則的物體，如食鹽、石英、硫酸銅等各種晶體，至少從某一方向上看，是透明的。

之前我們已經提到人類已可以控制碳納米晶體的生長，所以當碳原子規則排布時即可制成透明的納米材料?，F在人類已經制造出了透明的納米材料（圖1為透明碳納米管的原子結構，我們可以看出原子的排布非常有規則，因此它看起來是透明的）。

圖1　透明碳納米管原子結構

4　應用展望

基于上述分析，可以設想用碳納米管來代替極高純度的單晶硅制成吸光薄膜，用在太陽能電池上來接收太陽光，利用“光電效應”來發電。此外，由于現有技術已經可以將碳納米管做成透明的，所以也可以將吸光薄膜置于玻璃上，用作太陽能玻璃，這樣就可以更廣泛地應用于千家萬戶。

歸納起來，未來碳納米管太陽能薄膜的應用具有以下優勢：

1）碳納米管的材料來源豐富，造價便宜，并且比高純度的硅晶體制作要容易得多，便于產業化生產。

2）由于納米材料的表面效應，隨著粒子體積的減小，其比表面積顯著增大，所以由碳納米管制成的太陽能電池不僅體積很小，而且受到光照的面積很大，對光的吸收更好。

3）由于納米材料的量子隧道效應及介電限域效應，使得納米材料對電流的阻礙很小，在產生電流之后的損耗也很小。

4）根據納米材料的“荷葉效應”，使得納米材料很難被腐蝕，如在雨天中積水也不會腐蝕電池。

5）太陽能薄膜置于玻璃后，玻璃不僅可以發電，而且由于“荷葉效應”玻璃很難變臟，減少了清理次數。

6）由于所制成的玻璃表面較為粗糙（相對于絕對光滑的玻璃而言，這是為了產生“荷葉效應”），可以增加光的吸收能力以及減少由于光的鏡面反射造成的光污染。

5　結束語

隨著納米技術的蓬勃發展已經使納米太陽能薄膜的生產成為了可能，這種價格低廉、轉化率高、體積小的太陽能薄膜必將會大規模地應用于我們的生活中。但是我們也要清醒地認識到，雖然納米太陽能電池的相關基本理論都比較成熟，但在實際操作中還有一些難度，一些關鍵技術還處于實驗探索階段，要實現納米材料在太陽能發電的工業化應用依舊有一段路要走，需要堅持不懈的探索和努力。

［1］梁昌鑫，陳孝祺.太陽能電池現狀及其發展前景［J］.上海電機學院學報，2010，13（3）：184-185.

［2］Ebbesen T W.Carbon nanotubes［J］.Phys.Today，1996，49 （6）：26-32.

［3］謝文彬，朱永，龔天誠，等.單壁碳納米管薄膜光電器件研究［D］.重慶：重慶大學光電工程學院光電技術及系統教育部重點實驗室，2015.

［4］Chan-Park M，Wang J，et al.Solution-processed flexible transparent conductors based on carbon nanotubes and silver grids hybrid［J］.Nanoscale，2014（6）：4560-4565.

（編輯賈洪來）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.009

王昌浩，上海交通大學（機械與動力工程學院）在讀，E-mail：wangchangh78@sina.com，地址：上海市東川路800號，200240。

2016-04-25