研究人员正在研究碳如何利用太阳光，以期取代传统光伏技术中使用的更昂贵和有毒的材料。
现在，斯坦福大学的一个团队开发出了一种太阳能电池，其组件完全由碳制成。科学家们上个月在ACS Nano期刊上发表了他们的研究成果。
“我们感兴趣的是基本上开发一种新型太阳能电池，其中使用的材料都是碳材料，” 斯坦福大学化学工程博士生兼合著者 Michael Vosgueritchian 说。
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他解释说，碳材料有几个特性使其对能源开发商具有吸引力。“不用担心碳会用完，” Vosgueritchian 说。“这些材料由于是纳米材料，因此可以溶液加工。可以通过喷涂和涂覆沉积，无需高温或真空。”
与典型的硅基太阳能电池板相比：制造商需要非常纯净的硅，并且必须将其加热到高温。这些设备的电极通常由昂贵、稀有或危险的元素组成，如镉、碲和铟。当光伏板磨损时，这些化学物质也会造成处置危害。
Vosgueritchian 说，在斯坦福大学鲍哲楠的指导下，研究团队使用了几种碳材料来构建其设备。石墨烯，一种原子排列成薄六边形片的碳结构，构成了阳极。
如果将石墨烯卷成圆柱体，它就变成了碳纳米管。纳米管构成了设备活性层的一部分，该活性层将光转换为电。顶部是一层 60 碳富勒烯，即足球状的原子排列。最后一层是由纳米管组成的阴极。
距离实际应用还有“很长的路要走”
麻省理工学院化学工程教授 Michael Strano 解释说，纳米管和富勒烯之间的这种连接“代表了一种全新的太阳能电池”。他的团队使用该系统开发了一种设备，并在 6 月份在Advanced Materials上发表了他们的工作。
Strano 表示，这些奇异的碳结构可以来自可再生资源，甚至热解垃圾。“这与必须从地球上开采的太阳能电池组件有很大不同，”他说。“这也意味着光伏更容易回收。” 开采传统太阳能电池所需的化学物质通常是一个破坏性过程，并且会大大增加设备在整个生命周期内的环境影响。
基于碳的太阳能电池也可能比硅基或聚合物基太阳能电池更稳定，后者在暴露于自然环境中时可能会磨损。“石墨烯和碳纳米管以相当惰性而闻名，” Strano 说。
然而，碳纳米材料仍然面临制造成本问题。在纳米尺度上制造结构可能非常耗费人力，而且实验室仅以小规模、台式批次生产这些碳太阳能电池。“为了确定材料的成本，你必须大规模生产它们，” Strano 说。
另一个问题是设备的效率。斯坦福大学的研究人员报告的最大功率转换效率为 0.46%。相比之下，根据国家可再生能源实验室的数据，有机太阳能电池的峰值效率略低于 10%，而一些最先进的晶体硅电池的效率可以超过 25%。
“效率虽然低，但还算不错，” Strano 说，并指出该技术仍处于概念验证阶段，研究人员尚未开始优化电池组件，例如以增加产生电子的表面积的方式将富勒烯和纳米管混合在活性层中。“没有人制造结构化的异质结。[科学家们] 只是在用它做一种花生酱和果冻三明治。这是最简单的方法，”他说。
“活性层的设计方式与硅材料完全不同，” 麻省理工学院博士生 Marco Bernardi 附和道。Bernardi 与材料科学领域的 Jeffrey Grossman 合作，也开发了一种碳太阳能电池，并在 9 月份在ACS Nano上发表了他的工作。
Bernardi 说，他和他的合作者使用了一种系统的方法来建模、设计和优化碳电池中的材料。他们现在正在研究非晶碳，一种更便宜的材料，并探索如何利用它来发电。此外，Bernardi 说，研究人员希望证明这些电池在不封装的情况下可以稳定工作数千小时，同时更好地理解其基本物理原理。
Bernardi 说，在碳太阳能电池进入您附近的屋顶之前，“还需要做更多的研究”。“优化还有很长的路要走。”
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