“到2015年太陽能發(fā)電將達到15吉瓦，年發(fā)電量200億千瓦時。”如果說《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中的這段文字給我們昭示的是光伏產(chǎn)業(yè)不可限量的未來，那么在2011年度中國科學(xué)十大進展中，北京大學(xué)彭練矛教授的科研團隊取得的“實現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)”研究成果則有望將光伏產(chǎn)業(yè)的這一目標拉近許多。專家認為，該突破性成果將推動碳納米管這一有望對下一代光伏技術(shù)產(chǎn)生重要影響的新材料的實際應(yīng)用，對光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
據(jù)彭練矛教授介紹，作為典型的一維納米材料，碳納米管具有極其優(yōu)異的電學(xué)和光電特性。碳納米管材料不但是理想的納電子材料，還是直接帶隙材料，具有不同尋常的光電特性。另外，由于半導(dǎo)體碳納米管的帶隙一般小于1電子伏特，能夠高效吸收從紫外到近紅外的寬廣的光譜，從而充分地利用太陽光，這些特性對于光伏應(yīng)用都非常重要。然而，由半導(dǎo)體型單壁碳納米管產(chǎn)生的光伏電壓一般低于0.2伏特，這么低的電壓對于光伏太陽能電池實際應(yīng)用來說顯然不夠。
針對這一問題，北京大學(xué)納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室彭練矛教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊創(chuàng)造性的提出，通過金屬電極—半導(dǎo)體碳納米管材料間能級匹配的“有效接觸”，實現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)。其工藝極其簡單，穩(wěn)定性好。據(jù)彭教授介紹，該工藝裝置只需要在一根碳管上制備兩種不同類型的金屬接觸電極，便可以形成一個基本的器件單元，而且可以通過選擇直徑來控制碳管的帶隙，從而選擇性吸收不同波長的太陽光。另外由于碳納米管的碳碳鍵是自然界最強的化學(xué)鍵之一，在制備過程中采用無摻雜工藝，這種碳納米管太陽能電池在極端環(huán)境，比如高溫、極低溫或者充斥宇宙輻射的環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。
太陽能電池追求的總體目標仍然是提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。目前以晶體硅為代表的第一代太陽能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽能電池是光伏市場的主流。據(jù)了解，晶體硅太陽能電池生產(chǎn)成本較高，每瓦超過1.5美元，且光電轉(zhuǎn)化率提升面臨一定的技術(shù)瓶頸。第二代薄膜太陽電池太陽能電池所需原料少，生產(chǎn)成本低，但轉(zhuǎn)換效率相對較低，僅為8%左右。因此，亟須一種能夠突破現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸，兼顧降低成本和提高光電轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池新技術(shù)。
據(jù)北京大學(xué)王勝博士介紹，傳統(tǒng)的太陽能電池工藝大多采用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，而實現(xiàn)碳納米管高效光伏倍增效應(yīng)的新技術(shù)工藝簡單，且不需要摻雜任何元素，與傳統(tǒng)的太陽能電池比較，成本可以大大降低，理論估算光電轉(zhuǎn)化率可以超過20%。另外，當(dāng)前的實驗結(jié)果受限于材料本身，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面也還沒有進一步優(yōu)化，因此，隨著材料的優(yōu)化和研究的深入，該技術(shù)的光電轉(zhuǎn)化率會進一步提高。
王勝博士表示，新技術(shù)加工工藝簡單、成本低、穩(wěn)定性好，從整體來看在光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但若要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還要面臨很多挑戰(zhàn)，最主要的瓶頸是碳納米材料可控規(guī)模制備。他同時強調(diào)，雖然目前可以通過化學(xué)提純的方法得到性能好的碳納米材料，但做到大規(guī)模的量產(chǎn)還是有困難的，因此還需要材料和化學(xué)各領(lǐng)域的專家一起努力來解決這個問題，以便使該材料應(yīng)用到更多領(lǐng)域。