纳米碳管为太阳能电池带来新曙光

美国科学家利用纳米碳管制作出新型太阳能电池,在吸收等量的光子下能产生更多的光电流,其效能将优于现行的光伏电池。他们证明纳米碳管做成的光二极管(photodiode)吸收一个光子能产生多组电子空穴对(electron-hole pair),不像传统的光二极管只能产生一组。康乃尔大学参与这项研究的Nathan Gabor表示,这项技术若能应用于大尺寸的太阳能电池,势必能突破以往转换效率的限制。

现行的光伏电池每吸收一个光子顶多产生一组电子空穴对,然而康乃尔大学Paul McEuen领军的研究团队利用单壁式纳米碳管制成光伏电池,打破了这项限制。此装置由长约3~4μm、管径介于1.5~3.6 nm的碳管制成,碳管被安置在绝缘基板上的电极之间,在电极上施加偏压时,电极间的碳管形成一个p-n接面光二极管。

研究人员以激光照射光二极管,同时在碳管上施加逆偏压,并监测光电流。结果在温度低于90K且施加与电流反向的偏压时,观察到多重载子的产生。随着此偏压增大,电流呈阶梯状增加。若提高入射光子的能量,电流的阶梯会变宽。

通常一个光子只能将一个电子往上激发一个次能带,康乃尔小组认为多重电子空穴对的产生是由于光子提供碳管电子更大量的能量,使得第二次能带或以上的电子也可以在二极管中移动并激发其它电子,而当第二次能带的载子获得足够能量去激发额外的电子时,产生的电流就会出现阶梯状改变。

Gabor指出,第二次能带阀值的存在意味着上述过程几乎用将所有光子剩余的能量,再加上电场的能量,一起用来将单一电子转换成多重电子,这对于实现高效能太阳能电池的最终目标相当重要,因为后者追求的就是近乎百分之百地将光能用来激发电子空穴对。

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