纳米技术在太阳能电池中的应用展望

王昌浩　（上海交通大学机械与动力工程学院）



纳米技术在太阳能电池中的应用展望

王昌浩（上海交通大学机械与动力工程学院）

单晶硅太阳能电池是目前太阳能电池市场上的主导产品，但存在生产成本高、体积大、转化效率低等问题。为寻求新型替代技术，重点介绍了碳纳米管的技术现状及基本特性，对其在太阳能电池中的应用可行性进行了分析，认为纳米太阳能薄膜在未来具有良好的应用前景。

太阳能；太阳能电池；纳米技术；碳纳米管

1　引言

人类自工业革命后，对化石能源的大量开采与使用，使得不可再生能源越来越少，并且随着地球环境的恶化，人类急需一些既环保、又具有可持续性的新能源来逐步替代传统化石能源，太阳能无疑迎合了这种发展需求。相比于其他新能源，如氢能（地球上原料少、难以储存）、潮汐能（投资巨大，效益不高）、可燃冰（开发难度极大），太阳能具有资源丰富、转化效率高、不需要储存的优点。据测算，太阳在40 min内照射到地球表面的能量可供全球以目前的消费速度使用1年，所以合理高效地利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略。我国《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，光伏装机达到1×108kW左右。可以预见的是，未来太阳能电池产业将会有较大的发展，而纳米技术的应用也将大大提升太阳能电池的性能，成为未来几十年内的一个重要发展方向。

2　太阳能电池的技术特点

太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置，具有许多其他发电方式所不具备的优点：不消耗燃料，不受地域限制，能量充足，无污染、无噪声，安全可靠，维护简单，最具有大规模应用的可能性。因此，太阳能电池有望成为人类绝对清洁且取之不尽用之不竭的能源，然而，要想做到这一点，需要满足3个条件：便宜的制造元件；廉价且能耗低的制造方法；高转化效率。

目前，太阳能电池主要有晶体硅型和薄膜型2大类型，晶体硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。其中，单晶硅太阳能电池在大规模应用和工业生产中占据主导地位。从转换效率看，单晶硅太阳能电池在实验室的转换效率可达25%，而工业生产的光电转换效率仅为15%，且单晶硅要求的晶体纯度达99.999 999%以上［1］。目前，单晶硅太阳能电池的制造工艺已相当成熟，其生产主要采用西门子法，从多晶硅中提炼出单晶，然后通过拉硅单晶棒、切割得到单晶硅圆片，再经过刻蚀，最后生产成太阳能电池组件。总体上看，现有太阳能电池在推广应用上还存在一定难度，存在以下不足：

1）由于太阳能电池一般由超纯净的单晶硅圆片制成，为尽可能多地吸收太阳光，这种非常昂贵的材料厚度较厚，其生产过程能耗高，生产成本也相当高。

2）电池体积较为庞大，且转化效率较低。

3）受到天气情况的制约。

4）需要较高的维护费用。

为此，开发应用低成本、高效率的太阳能电池技术（如纳米太阳能电池技术）已显得愈加重要。

3　碳纳米管制造及基本特性

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，它是研究结构尺寸在0.1～100 nm范围内材料的性质和应用的一门学科。纳米技术的应用是建立在表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应等基础之上。应用纳米技术，可以使得元件向体积更小的方向发展，由微型的元件组装成的产品尺度会大大减小，节约空间，提高效率。

3.1碳纳米管制造

碳纳米管是1种具有特殊结构的一维纳米材料。自1991年发现碳纳米管以来，已有数十种合成碳纳米管的方法问世，也发现了一些新的转化途径［2］，如：碳蒸发法，该方法包括电弧法、激光烧灼法、等离子体法、太阳能法等，都是用石墨或者是含碳量高的煤作原料，在极高温度下，使原料中碳原子蒸发，之后在不同惰性或非氧化气氛中，使用特定的环境压强和不同类型的金属催化剂，使蒸发后的碳原子合成碳纳米管。其他方法还包括：含碳气体以及烃类或有机金属化合物的催化热解法，固相热解法，电化学法，含碳无机物转化法，环芳构化形成筒状齐聚物法等。

这些方法的出现都有近十几年的历史，技术都比较成熟。近些年来在玻璃上规则地操控碳纳米管生长，在实验室已成功实现。

3.2光电效应

碳纳米管的光电效应是由纳米材料的量子尺寸效应所决定的。我们知道，在宏观尺寸情况下，金属费米能级附近的电子能级往往是连续的，即大粒子或宏观物体的能级间距几乎为零。但当粒子尺寸下降到某一值（如达到纳米级）时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能级变宽。所以当光子照射碳纳米管时，电子很容易挣脱原子的引力从而产生电流，这也说明了用纳米材料发电转化效率很高［3］。

目前，人们已经完成在碳纳米管上进行光电效应的实验，证明了应用碳纳米管来发电是可行的。

3.3导电性与物理抗性

由于纳米材料的量子隧道效应及介电限域效应，纳米材料对电流的阻碍很小，在产生电流之后的损耗也很小。目前超导的纳米导线已经制出。

此外，根据纳米材料的“荷叶效应”，我们知道当表面较为粗糙，即接触角很大时不易被沾附上雨水，并且由于表面粗糙可以使得光线更容易被吸收，增强发电效果，同时表面粗糙还可以防止由于玻璃表面过于光滑而形成镜面反射造成光污染。

3.4透明纳米材料

由于纳米材料的表面效应，体积越小的颗粒其比表面积会越大，所以对光的吸收会更好。在现实生活中我们也能清晰地感受到这一点：比如金属铝的固体在平常看来是发出银白色金属光泽的，但是铝的粉末确实是黑色的，这就说明体积的减小使其比表面积增大，对光的吸收增强，所以变为黑色。既然这样，也许有人会有疑问，纳米材料的体积更小，对光的吸收性能更强，不应该是黑色的吗？怎么会是透明的？对此，相关研究成果已给出了答案，透明的纳米材料是可以制成的［4］。这是因为物质的透明不透明分为2种情况：

1）对于分子排列无规则的物体，如果密度很小，则是透明的，如空气、水等物质；如果密度很大，则是不透明的，如岩石、木材等。

2）对于分子排列有规则的物体，如食盐、石英、硫酸铜等各种晶体，至少从某一方向上看，是透明的。

之前我们已经提到人类已可以控制碳纳米晶体的生长，所以当碳原子规则排布时即可制成透明的纳米材料。现在人类已经制造出了透明的纳米材料（图1为透明碳纳米管的原子结构，我们可以看出原子的排布非常有规则，因此它看起来是透明的）。

图1　透明碳纳米管原子结构

4　应用展望

基于上述分析，可以设想用碳纳米管来代替极高纯度的单晶硅制成吸光薄膜，用在太阳能电池上来接收太阳光，利用“光电效应”来发电。此外，由于现有技术已经可以将碳纳米管做成透明的，所以也可以将吸光薄膜置于玻璃上，用作太阳能玻璃，这样就可以更广泛地应用于千家万户。

归纳起来，未来碳纳米管太阳能薄膜的应用具有以下优势：

1）碳纳米管的材料来源丰富，造价便宜，并且比高纯度的硅晶体制作要容易得多，便于产业化生产。

2）由于纳米材料的表面效应，随着粒子体积的减小，其比表面积显著增大，所以由碳纳米管制成的太阳能电池不仅体积很小，而且受到光照的面积很大，对光的吸收更好。

3）由于纳米材料的量子隧道效应及介电限域效应，使得纳米材料对电流的阻碍很小，在产生电流之后的损耗也很小。

4）根据纳米材料的“荷叶效应”，使得纳米材料很难被腐蚀，如在雨天中积水也不会腐蚀电池。

5）太阳能薄膜置于玻璃后，玻璃不仅可以发电，而且由于“荷叶效应”玻璃很难变脏，减少了清理次数。

6）由于所制成的玻璃表面较为粗糙（相对于绝对光滑的玻璃而言，这是为了产生“荷叶效应”），可以增加光的吸收能力以及减少由于光的镜面反射造成的光污染。

5　结束语

随着纳米技术的蓬勃发展已经使纳米太阳能薄膜的生产成为了可能，这种价格低廉、转化率高、体积小的太阳能薄膜必将会大规模地应用于我们的生活中。但是我们也要清醒地认识到，虽然纳米太阳能电池的相关基本理论都比较成熟，但在实际操作中还有一些难度，一些关键技术还处于实验探索阶段，要实现纳米材料在太阳能发电的工业化应用依旧有一段路要走，需要坚持不懈的探索和努力。

［1］梁昌鑫，陈孝祺.太阳能电池现状及其发展前景［J］.上海电机学院学报，2010，13（3）：184-185.

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

［3］谢文彬，朱永，龚天诚，等.单壁碳纳米管薄膜光电器件研究［D］.重庆：重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，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.

（编辑贾洪来）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.009

王昌浩，上海交通大学（机械与动力工程学院）在读，E-mail：wangchangh78@sina.com，地址：上海市东川路800号，200240。

2016-04-25