太阳能电池通常在中午发电效率最高，因为此时太阳正处于最高点，可以90度的角度直射电池。但是，美国佐治亚技术研究所的研究人员日前研制出的一种新型电池却恰恰相反——电池在全天大部分时候都能以较高效率运行，而每天早晨和下午的工作效率最高。这种利用纳米技术开发出的电池，与以前的太阳能电池相比，尺寸、重量、机械结构的复杂度都较小。
据美国佐治亚技术研究所网站4月11日报道，目前这种电池的实验室原型只有2英寸大小，但每平方厘米电池包含了4万个纳米管“塔”，每座塔高100微米，底座为边长40微米的正方形，每座之间间隔10微米。每座塔包含数百万个垂直排列的碳纳米管。
这种微型纳米管塔类似城市街道网格中的高层建筑，其独特的三维构造使它可以捕捉各个角度的光线，提高发电效率。传统的平板太阳能电池只能反射部分光线，吸收能量较少。而在网站的动画显示中可以看出，光线照射在纳米塔上之后会在相邻的塔上作多次反射，增加光线的吸收率。即使在太阳光没有90度照射时，它也可以保持高效率。美国佐治亚技术研究所光电系统实验室高级工程师Jud Ready说：“当太阳直射时，交互的区域只限于塔顶和下面的‘街道’。但是有角度时，光线有机会在塔的侧面反射。”
同时，这种三维电池提高了“量子效率”——电池把吸收的光子转化为电子的效率。在传统平板太阳能电池中，光电涂层必须足够厚才能捕获到光子，随后电子从涂层材料中释放产生电流。然而，电子移动后会在身后的原子矩阵中留下一个“空洞”。电子从材料中出来的时间越长，越有可能和空洞重组，减少电流。而由于三维电池比传统电池吸收了更多光子，其涂层相应较薄，电子可以更快出去，减少了重组几率。
据介绍，纳米塔最底层是硅晶片，在其之上研究人员用照相平版技术涂抹了一层薄薄的铁，放入熔炉加热至780摄氏度。碳氢化合物气体通入熔炉后会分离成碳和氢。经过化学蒸气沉积过程，碳元素在晶片铁涂层上沉积，生长成多层的碳纳米管塔。之后，研究人员再在碳纳米管塔上覆盖一层碲化镉和硫化镉——它们负责发电。最终，再涂抹氧化铟锡——一种导电材料——作为电极。因此，纳米管在电池中既作为三维结构的支持架，又作为连接光电材料和硅晶片的导体，负责把电子传导至电极。
在应用方面，Ready首先把目光放在了航天飞机和卫星的电能提供上，因为这种电池不需要使用专门机械工具移动方位，使其保持面对太阳，减少了重量和复杂性。“机械工具容易损坏，在太空中，是极其难以修理的。”Ready说。
据美国麻省理工学院《技术评论》（Technology Review）杂志4月17日在线报道，当太阳90度角照射时，这种三维电池模型只有3.5%的发电率。但是，当光线从其他角度照射时，发电率都更高，特别是45度时，发电率最高，达到7%。也就是说，电池在全天大部分时候都能以较高效率运行，每天有两次机会达到极值——早一次，晚一次。
但是，这个效率对于商业化使用而言还是太低了。Ready表示，在未来两年中，他将提高模型的尺寸，进行一系列测试以保证电池可以在火箭发射和太空的恶劣环境中工作。Ready还想研究出最理想的塔高和塔距，以及它们之间的位置和光线照射的角度。他也将尝试用其他半导体材料取代碲化镉，因为后者被认为具有毒性，不适合广泛的商业使用。选择针对不同应用的最佳光电材料也是研究目标之一。如果一切顺利，Ready估计，5到10年之内，这项技术的某些版本就有可能实现商业应用了。
“我们的目的是要获得每粒电池可用的光子。”Ready表示，由于可以捕获更多光线，电池尺寸可以减小，在卫星或者航天飞机上，这种新型电池将减轻重量、占用更少空间。增加了发电效率之后，可以改变现有太阳能电池的使用方式，用于更广泛的领域。
来源：科学时报 发布时间：2007年4月20日
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