光伏材料新技术：碳纳米管高效光伏倍增效应

“到2015年太阳能发电将达到15吉瓦，年发电量200亿千瓦时。”如果说《可再生能源发展“十二五”规划》中的这段文字给我们昭示的是光伏产业不可限量的未来，那么在2011年度中国科学十大进展中，北京大学彭练矛教授的科研团队取得的“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”研究成果则有望将光伏产业的这一目标拉近许多。专家认为，该突破性成果将推动碳纳米管这一有望对下一代光伏技术产生重要影响的新材料的实际应用，对光伏产业技术发展具有重要意义。

据彭练矛教授介绍，作为典型的一维纳米材料，碳纳米管具有极其优异的电学和光电特性。碳纳米管材料不但是理想的纳电子材料，还是直接带隙材料，具有不同寻常的光电特性。另外，由于半导体碳纳米管的带隙一般小于1电子伏特，能够高效吸收从紫外到近红外的宽广的光谱，从而充分地利用太阳光，这些特性对于光伏应用都非常重要。然而，由半导体型单壁碳纳米管产生的光伏电压一般低于0.2伏特，这么低的电压对于光伏太阳能电池实际应用来说显然不够。

针对这一问题，北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授领导的团队创造性的提出，通过金属电极—半导体碳纳米管材料间能级匹配的“有效接触”，实现碳纳米管的高效光伏倍增效应。其工艺极其简单，稳定性好。据彭教授介绍，该工艺装置只需要在一根碳管上制备两种不同类型的金属接触电极，便可以形成一个基本的器件单元，而且可以通过选择直径来控制碳管的带隙，从而选择性吸收不同波长的太阳光。另外由于碳纳米管的碳碳键是自然界最强的化学键之一，在制备过程中采用无掺杂工艺，这种碳纳米管太阳能电池在极端环境，比如高温、极低温或者充斥宇宙辐射的环境中能够稳定工作。

太阳能电池追求的总体目标仍然是提高转换效率和降低成本。目前以晶体硅为代表的第一代太阳能电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代薄膜太阳能电池是光伏市场的主流。据了解，晶体硅太阳能电池生产成本较高，每瓦超过1.5美元，且光电转化率提升面临一定的技术瓶颈。第二代薄膜太阳电池太阳能电池所需原料少，生产成本低，但转换效率相对较低，仅为8%左右。因此，亟须一种能够突破现有产业化技术瓶颈，兼顾降低成本和提高光电转化效率的太阳能电池新技术。

据北京大学王胜博士介绍，传统的太阳能电池工艺大多采用半导体掺杂技术，而实现碳纳米管高效光伏倍增效应的新技术工艺简单，且不需要掺杂任何元素，与传统的太阳能电池比较，成本可以大大降低，理论估算光电转化率可以超过20%。另外，当前的实验结果受限于材料本身，在器件结构设计等方面也还没有进一步优化，因此，随着材料的优化和研究的深入，该技术的光电转化率会进一步提高。

王胜博士表示，新技术加工工艺简单、成本低、稳定性好，从整体来看在光伏产业领域应用前景广阔。但若要实现产业化还要面临很多挑战，最主要的瓶颈是碳纳米材料可控规模制备。他同时强调，虽然目前可以通过化学提纯的方法得到性能好的碳纳米材料，但做到大规模的量产还是有困难的，因此还需要材料和化学各领域的专家一起努力来解决这个问题，以便使该材料应用到更多领域。