在最新的一期Nature系列研究論文中，科學(xué)家們成功開發(fā)了一種全新的雙面面板，其前后電極采用了單壁碳納米管。這些碳納米管的直徑僅為2.2納米，比人類DNA還要薄，而一張紙則相當(dāng)于堆疊了45000個納米管的厚度。這項研究成果刊登在《Nature Communication》上，參與其中的研究團隊來自Surrey大學(xué)、劍橋大學(xué)、中國科學(xué)院、西安電子科技大學(xué)和鄭州大學(xué)。
引言
在最新的一期Nature系列研究論文中，科學(xué)家們成功開發(fā)了一種全新的雙面面板，其前后電極采用了單壁碳納米管。這些碳納米管的直徑僅為2.2納米，比人類DNA還要薄，而一張紙則相當(dāng)于堆疊了45000個納米管的厚度。這項研究成果刊登在《Nature Communication》上，參與其中的研究團隊來自Surrey大學(xué)、劍橋大學(xué)、中國科學(xué)院、西安電子科技大學(xué)和鄭州大學(xué)。
據(jù)Surrey先進技術(shù)研究所的研究員Jing Zhang博士介紹：“我們的雙面電池能夠同時從前后板收集陽光，這將帶來更多的能量，并且減少對光照角度的依賴。”她還補充道：“我們使用的碳納米管具有極高的透明性和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，這將有望為數(shù)百萬人提供清潔能源?！?/span>
據(jù)了解，這些面板每平方厘米可產(chǎn)生超過36 mW的功率，而后面板產(chǎn)生的功率幾乎是前面板的97%。相比之下，目前市場上大多數(shù)雙面面板的功率利用率僅在75%-95%之間。
最后，先進技術(shù)研究所所長Ravi Silva CBE教授表示：“沒有太陽能，我們無法擺脫碳排放，而實現(xiàn)這一目標(biāo)需要更便宜的太陽能。雙面吸收陽光的面板是降低成本、提高效益的良策?！彼€指出：“我們生產(chǎn)的單結(jié)太陽能電池可以說是迄今為止效率最高的，而且我們的電池板制造成本比普通的單面太陽能電池板低70%。這將改變市場并簡化基于鈣鈦礦太陽能電池的架構(gòu)?！?以上內(nèi)容來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體所圖書館)
研究背景
隨著全球?qū)η鍧?、可持續(xù)能源的需求不斷增加，太陽能作為一種豐富而可再生的資源引起了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的單面太陽能電池(PV)系統(tǒng)雖然取得了顯著進展，但其在提高功率輸出和降低成本方面仍存在一些限制。太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)展引起了對提高電力產(chǎn)能和降低電力等級成本(LCOE)的迫切需求。目前，單面太陽能電池的效率提高和成本降低的速度不足以滿足全球電力需求的可持續(xù)發(fā)展。因此，科學(xué)家們開始關(guān)注雙面太陽能電池技術(shù)，其可以從前后兩面捕獲陽光，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。然而，現(xiàn)有的雙面太陽能電池技術(shù)在制造復(fù)雜性、成本和穩(wěn)定性方面面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電極材料，如透明導(dǎo)電氧化物，不僅在制造過程中復(fù)雜，而且在柔性設(shè)備中存在脆性問題。
為解決雙面太陽能電池技術(shù)中存在的問題，薩里大學(xué)張偉教授、中國科學(xué)院金屬研究所院侯鵬翔教授以及成會明院士、劍橋大學(xué)的S. Ravi P. Silva教授攜手在Nature communications期刊發(fā)表題為“High-performance bifacial perovskite solar cells enabled by single-walled carbon nanotubes”的最新成果。本研究采用了一種創(chuàng)新的方法，利用單壁碳納米管(SWCNTs)作為雙面太陽能電池的前后電極，研究團隊成功地提高了雙面太陽能電池的功率輸出，并解決了傳統(tǒng)材料在柔性和穩(wěn)定性方面的局限性。此外，研究團隊通過深入研究SWCNTs與電子/空穴傳輸材料的相互作用，優(yōu)化了器件性能。結(jié)果表明，這種創(chuàng)新的電極材料在實現(xiàn)超高功率發(fā)生密度、耐久性和柔性方面取得了顯著的成功。通過模擬未來25年的電力產(chǎn)出，研究還展示了SWCNTs作為電極材料的持久性和可靠性。
圖文解讀
太陽能被認(rèn)為是一種豐富且可負(fù)擔(dān)得起的能源形式，但其在光伏系統(tǒng)中的利用率仍然有待提高。在這項研究中，研究者通過以下圖表展示了他們使用雙壁碳納米管(SWCNTs)作為雙面鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的前后電極的創(chuàng)新方法。具體來說，圖1表征了采用FCCVD方法制備的SWCNTs的光學(xué)和電學(xué)特性。該圖揭示了SWCNTs在透明度、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性方面的卓越性能。通過FCCVD方法制備的SWCNTs表現(xiàn)出令人滿意的光學(xué)和電學(xué)特性，為其在太陽能電池中的應(yīng)用提供了堅實基礎(chǔ)。
圖1. 采用FCCVD方法制備的SWCNT的光學(xué)和電學(xué)特性。
在圖2中研究者展示了雙面PSCs的光學(xué)特性。這一部分的結(jié)果說明SWCNTs作為前后電極的性能表現(xiàn)出色，為實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的太陽能電池提供了潛在方案。
圖2. 半器件的光學(xué)特性。
圖3展示了全碳電極雙面PSCs的光伏性能，具體數(shù)據(jù)展現(xiàn)了其超過98%的雙面性能因子和36%以上的功率發(fā)電密度。
圖3. 全碳電極雙面PSC的光伏性能。
圖4詳細(xì)呈現(xiàn)了柔性全碳電極PSCs的光伏參數(shù)和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，這種器件具有出色的機械耐久性和電池性能，為實際應(yīng)用提供了可行的解決方案。
圖4. 柔性全碳電極PSC的光伏參數(shù)和穩(wěn)定性。
最值得注意的是，在圖5中研究者模擬了這些雙面SWCNT@85% PSCs在短期(1年)和長期(26年)內(nèi)的功率輸出。模擬結(jié)果顯示了這種技術(shù)在長期內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的電力輸出，強調(diào)了其可持續(xù)性和實用性。
圖5：雙面SWCNT@85% PSC的短期(1年)和長期(26年)功率輸出模擬。
結(jié)論展望
本研究以創(chuàng)新的科學(xué)思路為基礎(chǔ)，嘗試采用單壁碳納米管作為雙面光伏器件的前后電極，以解決傳統(tǒng)技術(shù)所面臨的制約。碳納米管具有高透明度、高導(dǎo)電性和機械柔韌性等卓越性能，為雙面光伏技術(shù)的突破提供了可能性。通過深入研究碳納米管與電子/空穴傳輸材料的相互作用，并對器件性能進行優(yōu)化，科學(xué)家們成功制備了高效、穩(wěn)定且成本相對較低的雙面鈣鈦礦太陽能電池。
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