納米柱太陽能電池

一種新的太陽電池設計將可降低制造成本同時應用于大面積可撓的基板。加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)的研究員設計新型太陽電池，將筆直的納米柱(nanopillar)數組長在鋁箔上，可以彎曲，并可裝進透明且富有彈性的高分子之中，這樣的設計，將使整個的制造成本低于我們常見的硅晶太陽電池。帶領這個計劃的艾里?杰維(Ali Javey)，同時也是電機與信息系(electrical- engineering and computer-sciences)的教授提到，納米柱與一般硅晶或薄膜太陽電池技術相比，具有更便宜，使用等級較差材料的優勢，更甚者，因為使用可撓的鋁箔做為基板，適合卷的生產方式，這樣將有助于降低成本。這項工作屬于早期的開發，仍無法精確計算整個的制造成本，不過可以確定的是，一旦使用卷對卷(roll-to-roll)制程，整個的成本將只有我們現在使用硅晶電池模塊的十分之一。

便宜的太陽：
一種由硫化鎘的納米柱數組(右圖)長在碲化鎘的基質中，所組成的新型太陽電池是可以彎曲的，其中包含鋁箔基板與包覆于外的高分子。

這個電池使用500納米高的硫化鎘(cadmium sulfide)柱子，均勻的長在碲化鎘(cadmium telluride)之中，這兩種材料都是薄膜太陽電池已在使用的半導體材料。艾里?杰維與他的同事將結果發表于自然材料(Nature Materials)，電池具有大約6%的光轉電效率，而其它納米柱太陽電池的研究，不但使用較昂貴的生長方式，其轉換效率也無法大于2%。傳統的電池，利用硅來吸收太陽光并產生自由電子，而這些電子必須在與材料中缺陷或不純物結合之前傳遞至外部電路，因此對材料等級的要求，就非常的嚴格，一般越純、越貴的結晶硅制成電池的效率也越高。納米柱電池的設計則有別于硅：柱子周圍的材料吸收光，并透過柱子傳至外部電路，效率的提升來自于柱子的緊密排列有助于周圍材料吸收更多的光，產生的電子透過柱子，僅經過很短的距離就傳導出去，所以再結合的機率就變少了，如此一來便可以使用等級較差、較便宜的材料。

其它使用納米結構的電池，如哈佛大學化學系的查爾斯?利伯(Charles Lieber)，由硅制成的核與殼多層納米線(nanowires)。同為加州大學柏克萊分校，化學系的楊培東(Peidong Yang)利用氧化鋅(zinc oxide)納米線制成染料敏化電池(dye-sensitized solar cells)。這些納米線的電池都已達到4%的轉換效率。杰維與他的同事，首先利用陽極氧化鋁箔得到納米柱的核，寬200納米的孔并周期性的排列著，作為結晶硫化鎘垂直生長的模板，然后涂覆碲化鎘以及上電極，分別為銅膜和金膜，做好的電池可以組裝于玻璃面板或是將高分子溶液倒在表面并且成型，得到可撓的組件。

喬治亞理工學院(Georgia Tech)材料科學與工程(materials-science and engineering)的教授王中林(Zhong Lin Wang)提到，這是個令人振奮的突破，將納米材料與軟性基板結合成為可撓并且是可折迭的高效率太陽電池。美國科羅拉多州高登市(Golden)國家再生性能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)的物理化學家阿瑟?諾席克(Arthur Nozik)則提到，它的競爭對手將會是可撓的薄膜電池，材料包括硅、碲化鎘或是其它，但產品主要的特色應該在于低價。

直到目前，研究人員仍繼續探索其它可以提升電池效率的材料。杰維提到，表面的銅-金層只有50%的穿透率，如果光可以全部穿透的話，效率將可以提升一倍，因此研究人員計劃使用氧化銦(indium oxide)這類透明的導電材料，如此一來，簡單的改進或是取代上電極材料將會使效率獲得提升。研究人員同時也希望嘗試其它半導體材料做成納米柱或是周圍的材料，杰維提到，組裝的過程并不會影響到這些半導體材料，但因為換了材料可以提升效率，最重要的是，如此一來將沒有鎘的毒性問題。加州大學柏克萊分校的楊指出結構是最重要的關鍵，材料的部份則可以持續改善，而這篇文章展示了結構的可行。

在鋁箔上生長納米柱可制造光伏電池 成本僅為基于單晶硅的1/10

??美國研究人員開發出一種新型太陽能電池技術，這種太陽能電池可通過在鋁箔上生長直立的納米柱來制成，將整個電池封裝在透明的膠狀聚合物內后就能制作出可彎曲的太陽能電池，成本低于傳統的硅太陽能電池。

　　領導此項研究的美國加州大學電氣工程和計算機科學教授阿里·杰威表示，與傳統硅和薄膜電池相比，納米柱技術可使研究人員使用更為廉價和低質的材料。更重要的是，該技術更適于在薄鋁箔上制作出可卷曲的太陽能電池板，從而降低了制造成本。一旦獲得成功，其生產成本將可低至單晶硅太陽能板的1/10。

　　這種太陽能電池是通過將統一的500納米高的硫化鎘嵌入碲化鎘薄膜中制成的，這兩種材料均是薄膜太陽能電池中經常使用的半導體。杰威及其同事在《自然·材料》上發表的報告稱，此種電池將光能轉換為電能的效率可達6%。此前，也有科學家使用了這種立柱設計思想，但其方法較為昂貴，且光電轉換效率不到2%。

　　在傳統太陽能電池中，硅吸收光并產生自由電子，這些電子必須在受困于材料的缺陷或雜質前到達電路。這就要求使用極為純凈、昂貴的晶體硅來制造高效光伏裝置。

　　納米柱就承擔了硅的職責，納米柱周圍的材料吸收光并產生電子，納米柱將其運送到電路。這種設計以兩種方式來提高效率：緊密封裝的納米柱捕捉柱間的光，幫助周圍的材料吸收更多的光；電子以非常短的距離穿越納米柱，因此沒有太多的機會受困于材料的缺陷。這意味著可以使用低質量的廉價材料。

　　有科學家使用不同的納米結構來制作這種太陽能電池。比如，哈佛大學化學教授查爾斯·里波爾研發了一種包含硅芯和同心硅層各異的納米線；加州大學伯克利分校的楊培東則開發出了帶有氧化鋅納米線的染料敏化太陽能電池。這些納米線太陽能電池的光電轉換效率已達到了4%。

　　杰威及其同事制作的納米柱電池首次使用經氧化處理的鋁箔，創建出呈周期性分布的200納米寬小孔，這些小孔作為硫化鎘晶體直立生長的模板。然后，對碲化鎘和頂端電極飾以銅和金的薄膜。它們通過一塊玻璃板和電池相連，或是將其頂端投入聚合物溶液使其彎曲。

　　喬治亞理工學院的材料學和工程學教授王中林評價說，將納米材料工程設計與制造柔性可彎曲高效太陽能電池的各種軟基板技術集成在一起，這是一個令人興奮的進展。美國國家可再生能源實驗室負責太陽能電池研究的物理化學家阿瑟·諾茲克則表示，這種電池要與由硅、碲化鎘和其他材料制成的柔性薄膜太陽能電池進行競爭，其賣點可能不在于其柔性，而是成本優勢。

　　目前，研究人員正在探索使用可提高轉換效率的材料。例如，頂端的銅—金層現在僅有50%的透明度，如果可讓所有的光都透過，其效率就可增加一倍。因此，研究人員正計劃使用像氧化銦這樣的透明導電材料。另外，利用其他半導體材料作為納米柱及其周圍材料也在研究人員的考慮之中，這樣的制作工藝能適于更廣范圍的半導體材料，其他材料組合亦可能會提高效率，更重要的一點則是可以避免鎘的毒性問題。