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原創丨追光者(米測 技術中心)
編輯丨風云
在最新的一期Nature系列研究論文中,科學家們成功開發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、劍橋大學、中國科學院、西安電子科技大學和鄭州大學。據Surrey先進技術研究所的研究員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良的導電性能,這將有望為數百萬人提供清潔能源。”據了解,這些面板每平方厘米可產生超過36 mW的功率,而后面板產生的功率幾乎是前面板的97%。相比之下,目前市場上大多數雙面面板的功率利用率僅在75%-95%之間。最后,先進技術研究所所長Ravi Silva CBE教授表示:“沒有太陽能,我們無法擺脫碳排放,而實現這一目標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。”他還指出:“我們生產的單結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。”(以上內容來源:中國科學院半導體所圖書館)隨著全球對清潔、可持續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注。傳統的單面太陽能電池(PV)系統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。太陽能光伏系統的發展引起了對提高電力產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發展。因此,科學家們開始關注雙面太陽能電池技術,其可以從前后兩面捕獲陽光,提高了光電轉換效率。然而,現有的雙面太陽能電池技術在制造復雜性、成本和穩定性方面面臨挑戰。傳統的電極材料,如透明導電氧化物,不僅在制造過程中復雜,而且在柔性設備中存在脆性問題。為解決雙面太陽能電池技術中存在的問題,薩里大學張偉教授、中國科學院金屬研究所院侯鵬翔教授以及成會明院士、劍橋大學的S. Ravi P. Silva教授攜手在Nature communications期刊發表題為“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,并解決了傳統材料在柔性和穩定性方面的局限性。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,優化了器件性能。結果表明,這種創新的電極材料在實現超高功率發生密度、耐久性和柔性方面取得了顯著的成功。通過模擬未來25年的電力產出,研究還展示了SWCNTs作為電極材料的持久性和可靠性。 太陽能被認為是一種豐富且可負擔得起的能源形式,但其在光伏系統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)的前后電極的創新方法。具體來說,圖1表征了采用FCCVD方法制備的SWCNTs的光學和電學特性。該圖揭示了SWCNTs在透明度、導電性和穩定性方面的卓越性能。通過FCCVD方法制備的SWCNTs表現出令人滿意的光學和電學特性,為其在太陽能電池中的應用提供了堅實基礎。 圖1. 采用FCCVD方法制備的SWCNT的光學和電學特性。在圖2中研究者展示了雙面PSCs的光學特性。這一部分的結果說明SWCNTs作為前后電極的性能表現出色,為實現高效、穩定的太陽能電池提供了潛在方案。圖3展示了全碳電極雙面PSCs的光伏性能,具體數據展現了其超過98%的雙面性能因子和36%以上的功率發電密度。圖4詳細呈現了柔性全碳電極PSCs的光伏參數和穩定性。結果表明,這種器件具有出色的機械耐久性和電池性能,為實際應用提供了可行的解決方案。 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)內的功率輸出。模擬結果顯示了這種技術在長期內能夠保持穩定的電力輸出,強調了其可持續性和實用性。圖5:雙面SWCNT@85% PSC的短期(1年)和長期(26年)功率輸出模擬。
結論展望
本研究以創新的科學思路為基礎,嘗試采用單壁碳納米管作為雙面光伏器件的前后電極,以解決傳統技術所面臨的制約。碳納米管具有高透明度、高導電性和機械柔韌性等卓越性能,為雙面光伏技術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化,科學家們成功制備了高效、穩定且成本相對較低的雙面鈣鈦礦太陽能電池。Zhang, J., Hu, XG., Ji, K. et al. High-performance bifacial perovskite solar cells enabled by single-walled carbon nanotubes. Nat Commun 15, 2245 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-46620-1