研究人員正在研究碳如何利用太陽光，以期取代傳統光伏技術中使用的更昂貴和有毒的材料。
現在，斯坦福大學的一個團隊開發出了一種太陽能電池，其元件完全由碳製成。科學家們上個月在ACS Nano期刊上發表了他們的研究成果。
“我們感興趣的是基本上開發一種新型太陽能電池，其中使用的材料都是碳材料，” 斯坦福大學化學工程博士生兼合著者 Michael Vosgueritchian 說。
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他解釋說，碳材料有幾個特性使其對能源開發商具有吸引力。“不用擔心碳會用完，” Vosgueritchian 說。“這些材料由於是奈米材料，因此可以溶液加工。可以透過噴塗和塗覆沉積，無需高溫或真空。”
與典型的矽基太陽能電池板相比：製造商需要非常純淨的矽，並且必須將其加熱到高溫。這些裝置的電極通常由昂貴、稀有或危險的元素組成，如鎘、碲和銦。當光伏板磨損時，這些化學物質也會造成處置危害。
Vosgueritchian 說，在斯坦福大學鮑哲楠的指導下，研究團隊使用了幾種碳材料來構建其裝置。石墨烯，一種原子排列成薄六邊形片的碳結構，構成了陽極。
如果將石墨烯捲成圓柱體，它就變成了碳奈米管。奈米管構成了裝置活性層的一部分，該活性層將光轉換為電。頂部是一層 60 碳富勒烯，即足球狀的原子排列。最後一層是由奈米管組成的陰極。
距離實際應用還有“很長的路要走”
麻省理工學院化學工程教授 Michael Strano 解釋說，奈米管和富勒烯之間的這種連線“代表了一種全新的太陽能電池”。他的團隊使用該系統開發了一種裝置，並在 6 月份在Advanced Materials上發表了他們的工作。
Strano 表示，這些奇異的碳結構可以來自可再生資源，甚至熱解垃圾。“這與必須從地球上開採的太陽能電池元件有很大不同，”他說。“這也意味著光伏更容易回收。” 開採傳統太陽能電池所需的化學物質通常是一個破壞性過程，並且會大大增加裝置在整個生命週期內的環境影響。
基於碳的太陽能電池也可能比矽基或聚合物基太陽能電池更穩定，後者在暴露於自然環境中時可能會磨損。“石墨烯和碳奈米管以相當惰性而聞名，” Strano 說。
然而，碳奈米材料仍然面臨製造成本問題。在奈米尺度上製造結構可能非常耗費人力，而且實驗室僅以小規模、臺式批次生產這些碳太陽能電池。“為了確定材料的成本，你必須大規模生產它們，” Strano 說。
另一個問題是裝置的效率。斯坦福大學的研究人員報告的最大功率轉換效率為 0.46%。相比之下，根據國家可再生能源實驗室的資料，有機太陽能電池的峰值效率略低於 10%，而一些最先進的晶體矽電池的效率可以超過 25%。
“效率雖然低，但還算不錯，” Strano 說，並指出該技術仍處於概念驗證階段，研究人員尚未開始最佳化電池元件，例如以增加產生電子的表面積的方式將富勒烯和奈米管混合在活性層中。“沒有人制造結構化的異質結。[科學家們] 只是在用它做一種花生醬和果凍三明治。這是最簡單的方法，”他說。
“活性層的設計方式與矽材料完全不同，” 麻省理工學院博士生 Marco Bernardi 附和道。Bernardi 與材料科學領域的 Jeffrey Grossman 合作，也開發了一種碳太陽能電池，並在 9 月份在ACS Nano上發表了他的工作。
Bernardi 說，他和他的合作者使用了一種系統的方法來建模、設計和最佳化碳電池中的材料。他們現在正在研究非晶碳，一種更便宜的材料，並探索如何利用它來發電。此外，Bernardi 說，研究人員希望證明這些電池在不封裝的情況下可以穩定工作數千小時，同時更好地理解其基本物理原理。
Bernardi 說，在碳太陽能電池進入您附近的屋頂之前，“還需要做更多的研究”。“最佳化還有很長的路要走。”
經 Environment & Energy Publishing, LLC. 許可，轉載自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500