在铝箔上生长纳米柱可制造太阳能电池的原因(铝箔做太阳能电池原理)

美国研究人员开发了一种新的太阳能电池技术,可以通过在铝箔上生长直立的纳米柱来制造。将整个电池封装在透明胶体聚合物中后,就可以制造出可弯曲的太阳能电池。太阳能电池的成本低于传统的硅太阳能电池。

领导这项研究的加州大学电气工程和计算机科学教授Ari Jewry 表示,与传统硅和薄膜电池相比,纳米柱技术使研究人员能够使用更便宜、质量更低的材料。更重要的是,该技术更适合在薄铝箔上制造可卷曲太阳能电池板,从而降低制造成本。一旦成功,其生产成本将低至单晶硅太阳能电池板的1/10。

在铝箔上生长纳米柱可制造太阳能电池的原因(铝箔做太阳能电池原理)

太阳能电池是通过将均匀的500 纳米高的硫化镉嵌入碲化镉薄膜中制成的,这两种半导体通常用于薄膜太阳能电池。 Jiewei及其同事在《自然·材料》中报道,这种类型的电池将光能转化为电能的效率可以达到6%。此前,已有科学家采用了这种柱的设计思路,但该方法成本较高,光电转换效率不足2%。

在传统太阳能电池中,硅吸收光并产生自由电子,这些电子必须在被材料中的缺陷或杂质捕获之前到达电路。这需要使用极其纯净、昂贵的晶体硅来制造高效光伏器件。

纳米柱取代了硅的角色。纳米柱周围的材料吸收光并产生电子,纳米柱将电子传送到电路。这种设计通过两种方式提高了效率:紧密堆积的纳米柱捕获柱之间的光,帮助周围的材料吸收更多的光;而且电子穿过纳米柱的距离非常短,因此它们被捕获的机会不大。由于材料缺陷。这意味着可以使用低质量、廉价的材料。

有科学家使用不同的纳米结构来制造这种太阳能电池。例如,哈佛大学化学教授查尔斯·里博尔(Charles Riboll)开发了一种包含不同硅芯和同心硅层的纳米线;加州大学伯克利分校的Peidong Yang 开发了一种采用氧化锌纳米线的染料敏化太阳能电池。这些纳米线太阳能电池的光电转换效率已达到4%。

Jiewei及其同事生产的纳米柱电池首次使用氧化铝箔制造周期性分布的200纳米宽的孔,作为硫化镉晶体直立生长的模板。然后用铜和金薄膜装饰碲化镉和顶部电极。它们通过玻璃板连接到电池,或者通过将尖端浸入聚合物溶液中来弯曲。

佐治亚理工学院材料科学与工程教授王忠林评论道,将纳米材料工程设计与各种软基板技术相结合,创造出柔性、可弯曲的高效太阳能电池,这是一项令人兴奋的发展。美国国家可再生能源实验室负责太阳能电池研究的物理化学家阿瑟·诺齐克表示,这种电池将与由硅、碲化镉等材料制成的柔性薄膜太阳能电池竞争。也许不是灵活性,而是成本优势。

目前,研究人员正在探索使用可以提高转换效率的材料。例如,目前只有50% 透明的顶部铜金层,如果它能让所有光线通过,效率将会提高一倍。因此,研究人员计划使用氧化铟等透明导电材料。此外,使用其他半导体材料作为纳米柱及其周围材料也在研究人员的考虑之中。这样的生产工艺可以适用于更广泛的半导体材料。其他材料组合也可以提高效率。更重要的是,可以避免镉的毒性问题。

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