團結力量大：奈米碳管束可提升太陽電池效能
- 上線日期：2012/2/13 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國研究人員最近發現，具有相同對掌性(chirality)的奈米碳管束(nanotube bundle)可以增加太陽電池的效能。他們利用高速光譜(high-speed spectroscopy)證明奈米碳管束在陽光照射下，不僅會產生電子電洞對(electron-hole pair)，還能使這些帶電載子分離。這是首度有單一薄膜光電材料被證實同時擁有這兩種重要功能。
相較於一般矽太陽電池，薄膜太陽電池具有製作成本較低、質量較輕與可撓性等優點。太陽電池要產生電流，首先得吸收光子能量以產生電子電洞對，且須在電子電洞重新結合並被材料重新吸收前使其分離，但由於此結合速度太快，往往導致光吸收效率下滑。
Los Alamos國家實驗室的Jared Crochet等人利用半導電性的奈米碳管束克服了此難題。奈米碳管是石墨烯(graphene)捲曲而成，朝不同方向扭轉會得到不同的掌性質，對應到不同的吸收波長。儘管單一的奈米碳管有光吸收效率低的問題，旦是當具有相同對掌性的碳管結集成束，其吸收光的行為反而類似石墨烯，不僅會吸收光子產生電子電洞對，且能有效分離這些帶電載子，因此適合做為太陽電池中的主動層。
此實驗使用的碳管是利用離心機將相同的對掌性及直徑的碳管分離出來，再結集成束。為了配合太陽光譜，研究人員選取了直徑及對掌性對應到最強吸收波長為570 nm的碳管束值。
Crochet團隊以雷射光照射奈米碳管束，並每隔數十飛秒(femtosecond, 10-15s)記錄其光譜，結果觀測到兩種訊號的產生，一種符合激子(exciton)形成時的特徵，另一種峰值則顯示自由電子與電洞的生成；若使用不成束的個別碳管則只會產生第一種訊號。
該研究團隊計畫將單一對掌性半導體性碳管網路整合至光伏元件中以作為主動層。Crochet表示他們期望見到由石墨烯及其氧化物與奈米碳管所製作出的全碳太陽電池(all-carbon solar cell)。研究人員也試著藉由高速光譜來深入了解奈米碳管中激子分離和電荷傳輸的機制。詳見Phys. Rev. Lett.107, 257402 (2011)。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48294
譯者:吳俊緯(成功大學微電子工程研究所)
責任編輯:蔡雅芝
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