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引言

在最新的一期Nature系列研究論文中，科學(xué)家們成功開發(fā)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(dāng)于堆疊了45000個(gè)納米管的厚度。這項(xiàng)研究成果刊登在《Nature Communication》上，參與其中的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自Surrey大學(xué)、劍橋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、西安電子科技大學(xué)和鄭州大學(xué)。

據(jù)Surrey先進(jìn)技術(shù)研究所的研究員Jing Zhang博士介紹：“我們的雙面電池能夠同時(shí)從前后板收集陽(yáng)光，這將帶來(lái)更多的能量，并且減少對(duì)光照角度的依賴。”她還補(bǔ)充道：“我們使用的碳納米管具有極高的透明性和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，這將有望為數(shù)百萬(wàn)人提供清潔能源?！?/span>

據(jù)了解，這些面板每平方厘米可產(chǎn)生超過(guò)36 mW的功率，而后面板產(chǎn)生的功率幾乎是前面板的97%。相比之下，目前市場(chǎng)上大多數(shù)雙面面板的功率利用率僅在75%-95%之間。

最后，先進(jìn)技術(shù)研究所所長(zhǎng)Ravi Silva CBE教授表示：“沒有太陽(yáng)能，我們無(wú)法擺脫碳排放，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要更便宜的太陽(yáng)能。雙面吸收陽(yáng)光的面板是降低成本、提高效益的良策?！彼€指出：“我們生產(chǎn)的單結(jié)太陽(yáng)能電池可以說(shuō)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(yáng)能電池板低70%。這將改變市場(chǎng)并簡(jiǎn)化基于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的架構(gòu)?！?以上內(nèi)容來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所圖書館)

研究背景

隨著全球?qū)η鍧?、可持續(xù)能源的需求不斷增加，太陽(yáng)能作為一種豐富而可再生的資源引起了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的單面太陽(yáng)能電池(PV)系統(tǒng)雖然取得了顯著進(jìn)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(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展引起了對(duì)提高電力產(chǎn)能和降低電力等級(jí)成本(LCOE)的迫切需求。目前，單面太陽(yáng)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(xù)發(fā)展。因此，科學(xué)家們開始關(guān)注雙面太陽(yáng)能電池技術(shù)，其可以從前后兩面捕獲陽(yáng)光，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。然而，現(xiàn)有的雙面太陽(yáng)能電池技術(shù)在制造復(fù)雜性、成本和穩(wěn)定性方面面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電極材料，如透明導(dǎo)電氧化物，不僅在制造過(guò)程中復(fù)雜，而且在柔性設(shè)備中存在脆性問(wèn)題。

為解決雙面太陽(yáng)能電池技術(shù)中存在的問(wèn)題，薩里大學(xué)張偉教授、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所院侯鵬翔教授以及成會(huì)明院士、劍橋大學(xué)的S. Ravi P. Silva教授攜手在Nature communications期刊發(fā)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(chuàng)新的方法，利用單壁碳納米管(SWCNTs)作為雙面太陽(yáng)能電池的前后電極，研究團(tuán)隊(duì)成功地提高了雙面太陽(yáng)能電池的功率輸出，并解決了傳統(tǒng)材料在柔性和穩(wěn)定性方面的局限性。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究SWCNTs與電子/空穴傳輸材料的相互作用，優(yōu)化了器件性能。結(jié)果表明，這種創(chuàng)新的電極材料在實(shí)現(xiàn)超高功率發(fā)生密度、耐久性和柔性方面取得了顯著的成功。通過(guò)模擬未來(lái)25年的電力產(chǎn)出，研究還展示了SWCNTs作為電極材料的持久性和可靠性。

圖文解讀

太陽(yáng)能被認(rèn)為是一種豐富且可負(fù)擔(dān)得起的能源形式，但其在光伏系統(tǒng)中的利用率仍然有待提高。在這項(xiàng)研究中，研究者通過(guò)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(yáng)能電池(PSCs)的前后電極的創(chuàng)新方法。具體來(lái)說(shuō)，圖1表征了采用FCCVD方法制備的SWCNTs的光學(xué)和電學(xué)特性。該圖揭示了SWCNTs在透明度、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性方面的卓越性能。通過(guò)FCCVD方法制備的SWCNTs表現(xiàn)出令人滿意的光學(xué)和電學(xué)特性，為其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1. 采用FCCVD方法制備的SWCNT的光學(xué)和電學(xué)特性。

在圖2中研究者展示了雙面PSCs的光學(xué)特性。這一部分的結(jié)果說(shuō)明SWCNTs作為前后電極的性能表現(xiàn)出色，為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池提供了潛在方案。

圖2. 半器件的光學(xué)特性。

圖3展示了全碳電極雙面PSCs的光伏性能，具體數(shù)據(jù)展現(xiàn)了其超過(guò)98%的雙面性能因子和36%以上的功率發(fā)電密度。

圖3. 全碳電極雙面PSC的光伏性能。

圖4詳細(xì)呈現(xiàn)了柔性全碳電極PSCs的光伏參數(shù)和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，這種器件具有出色的機(jī)械耐久性和電池性能，為實(shí)際應(yīng)用提供了可行的解決方案。

圖4. 柔性全碳電極PSC的光伏參數(shù)和穩(wěn)定性。

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(zhǎng)期(26年)內(nèi)的功率輸出。模擬結(jié)果顯示了這種技術(shù)在長(zhǎng)期內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的電力輸出，強(qiáng)調(diào)了其可持續(xù)性和實(shí)用性。

圖5：雙面SWCNT@85% PSC的短期(1年)和長(zhǎng)期(26年)功率輸出模擬。

結(jié)論展望

本研究以創(chuàng)新的科學(xué)思路為基礎(chǔ)，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(tǒng)技術(shù)所面臨的制約。碳納米管具有高透明度、高導(dǎo)電性和機(jī)械柔韌性等卓越性能，為雙面光伏技術(shù)的突破提供了可能性。通過(guò)深入研究碳納米管與電子/空穴傳輸材料的相互作用，并對(duì)器件性能進(jìn)行優(yōu)化，科學(xué)家們成功制備了高效、穩(wěn)定且成本相對(duì)較低的雙面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

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