納米技術(shù)在太陽能電池中的應(yīng)用展望

王昌浩?。ㄉ虾＝煌ù髮W(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

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納米技術(shù)在太陽能電池中的應(yīng)用展望

王昌浩（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

單晶硅太陽能電池是目前太陽能電池市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，但存在生產(chǎn)成本高、體積大、轉(zhuǎn)化效率低等問題。為尋求新型替代技術(shù)，重點(diǎn)介紹了碳納米管的技術(shù)現(xiàn)狀及基本特性，對其在太陽能電池中的應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析，認(rèn)為納米太陽能薄膜在未來具有良好的應(yīng)用前景。

太陽能；太陽能電池；納米技術(shù)；碳納米管

1　引言

人類自工業(yè)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(huán)境的惡化，人類急需一些既環(huán)保、又具有可持續(xù)性的新能源來逐步替代傳統(tǒng)化石能源，太陽能無疑迎合了這種發(fā)展需求。相比于其他新能源，如氫能（地球上原料少、難以儲(chǔ)存）、潮汐能（投資巨大，效益不高）、可燃冰（開發(fā)難度極大），太陽能具有資源豐富、轉(zhuǎn)化效率高、不需要儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)測算，太陽在40 min內(nèi)照射到地球表面的能量可供全球以目前的消費(fèi)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(fā)展戰(zhàn)略。我國《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》提出，到2020年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%，光伏裝機(jī)達(dá)到1×108kW左右。可以預(yù)見的是，未來太陽能電池產(chǎn)業(yè)將會(huì)有較大的發(fā)展，而納米技術(shù)的應(yīng)用也將大大提升太陽能電池的性能，成為未來幾十年內(nèi)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

2　太陽能電池的技術(shù)特點(diǎn)

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有許多其他發(fā)電方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)：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(hù)簡單，最具有大規(guī)模應(yīng)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(diǎn)，需要滿足3個(gè)條件：便宜的制造元件；廉價(jià)且能耗低的制造方法；高轉(zhuǎn)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(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。從轉(zhuǎn)換效率看，單晶硅太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%，而工業(yè)生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率僅為15%，且單晶硅要求的晶體純度達(dá)99.999 999%以上［1］。目前，單晶硅太陽能電池的制造工藝已相當(dāng)成熟，其生產(chǎn)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(jīng)過刻蝕，最后生產(chǎn)成太陽能電池組件?？傮w上看，現(xiàn)有太陽能電池在推廣應(yīng)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(chǎn)過程能耗高，生產(chǎn)成本也相當(dāng)高。

2）電池體積較為龐大，且轉(zhuǎn)化效率較低。

3）受到天氣情況的制約。

4）需要較高的維護(hù)費(fèi)用。

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

3　碳納米管制造及基本特性

納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，它是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1～100 nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一門學(xué)科。納米技術(shù)的應(yīng)用是建立在表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等基礎(chǔ)之上。應(yīng)用納米技術(shù)，可以使得元件向體積更小的方向發(fā)展，由微型的元件組裝成的產(chǎn)品尺度會(huì)大大減小，節(jié)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(jié)構(gòu)的一維納米材料。自1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，已有數(shù)十種合成碳納米管的方法問世，也發(fā)現(xiàn)了一些新的轉(zhuǎn)化途徑［2］，如：碳蒸發(fā)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(fā)，之后在不同惰性或非氧化氣氛中，使用特定的環(huán)境壓強(qiáng)和不同類型的金屬催化劑，使蒸發(fā)后的碳原子合成碳納米管。其他方法還包括：含碳?xì)怏w以及烴類或有機(jī)金屬化合物的催化熱解法，固相熱解法，電化學(xué)法，含碳無機(jī)物轉(zhuǎn)化法，環(huán)芳構(gòu)化形成筒狀齊聚物法等。

這些方法的出現(xiàn)都有近十幾年的歷史，技術(shù)都比較成熟。近些年來在玻璃上規(guī)則地操控碳納米管生長，在實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)。

3.2光電效應(yīng)

碳納米管的光電效應(yīng)是由納米材料的量子尺寸效應(yīng)所決定的。我們知道，在宏觀尺寸情況下，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)往往是連續(xù)的，即大粒子或宏觀物體的能級(jí)間距幾乎為零。但當(dāng)粒子尺寸下降到某一值（如達(dá)到納米級(jí)）時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散并使能級(jí)變寬。所以當(dāng)光子照射碳納米管時(shí)，電子很容易掙脫原子的引力從而產(chǎn)生電流，這也說明了用納米材料發(fā)電轉(zhuǎn)化效率很高［3］。

目前，人們已經(jīng)完成在碳納米管上進(jìn)行光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，證明了應(yīng)用碳納米管來發(fā)電是可行的。

3.3導(dǎo)電性與物理抗性

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

此外，根據(jù)納米材料的“荷葉效應(yīng)”，我們知道當(dāng)表面較為粗糙，即接觸角很大時(shí)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(qiáng)發(fā)電效果，同時(shí)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(yīng)，體積越小的顆粒其比表面積會(huì)越大，所以對光的吸收會(huì)更好。在現(xiàn)實(shí)生活中我們也能清晰地感受到這一點(diǎn)：比如金屬鋁的固體在平常看來是發(fā)出銀白色金屬光澤的，但是鋁的粉末確實(shí)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(qiáng)，所以變?yōu)楹谏＜热贿@樣，也許有人會(huì)有疑問，納米材料的體積更小，對光的吸收性能更強(qiáng)，不應(yīng)該是黑色的嗎？怎么會(huì)是透明的？對此，相關(guān)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?yàn)槲镔|(zhì)的透明不透明分為2種情況：

1）對于分子排列無規(guī)則的物體，如果密度很小，則是透明的，如空氣、水等物質(zhì)；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(guī)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(jīng)提到人類已可以控制碳納米晶體的生長，所以當(dāng)碳原子規(guī)則排布時(shí)即可制成透明的納米材料?，F(xiàn)在人類已經(jīng)制造出了透明的納米材料（圖1為透明碳納米管的原子結(jié)構(gòu)，我們可以看出原子的排布非常有規(guī)則，因此它看起來是透明的）。

圖1　透明碳納米管原子結(jié)構(gòu)

4　應(yīng)用展望

基于上述分析，可以設(shè)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(yīng)”來發(fā)電。此外，由于現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用于千家萬戶。

歸納起來，未來碳納米管太陽能薄膜的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：

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

2）由于納米材料的表面效應(yīng)，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(yīng)及介電限域效應(yīng)，使得納米材料對電流的阻礙很小，在產(chǎn)生電流之后的損耗也很小。

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

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

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(chǎn)生“荷葉效應(yīng)”），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(jié)束語

隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)使納米太陽能薄膜的生產(chǎn)成為了可能，這種價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)化率高、體積小的太陽能薄膜必將會(huì)大規(guī)模地應(yīng)用于我們的生活中。但是我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然納米太陽能電池的相關(guān)基本理論都比較成熟，但在實(shí)際操作中還有一些難度，一些關(guān)鍵技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，要實(shí)現(xiàn)納米材料在太陽能發(fā)電的工業(yè)化應(yīng)用依舊有一段路要走，需要堅(jiān)持不懈的探索和努力。

［1］梁昌鑫，陳孝祺.太陽能電池現(xiàn)狀及其發(fā)展前景［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)（機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）在讀，E-mail：wangchangh78@sina.com，地址：上海市東川路800號(hào)，200240。

2016-04-25