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功率技術/新能源  

奈米鍺材料可望為太陽能電池鋪路?

上網時間: 2015年12月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:  材料  太陽能電池  電極  半導體 

德國慕尼黑工業大學(TUM)和慕尼黑大學(LMU)的研究人員發現一種利用奈米結構的材料製造輕薄、堅固且多孔半導體層的新方法,可望用於開發可攜式太陽能電池與電池電極。

這種材料非常適用於小型、輕量且軟性的太陽能電池,或是改善可充電電池性能的電極。

科學家藉由在鍺材料孔隙中整合適量的有機聚合物,即可量身打造出共生混合材料的電氣特性。這種設計不僅能節省空間,還可打造出大型介面的表面,提升整體效能。


在多孔隙的鍺奈米薄膜中填充適量的有機聚合物,使其成為混合太陽能電池。
(來源:TUM)

「你可以想像這種原材料的多孔結構就像蜂窩一樣。在其孔壁上包含了無機的半導體鍺,因而能夠產生與儲存電荷。由於這種蜂窩狀的孔壁極薄,讓電荷能夠沿著較短路流動,」專攻創新材料研究的慕尼黑工業大學無機化學系主任Thomas Fassler解釋。

為了將這種易碎的硬質鍺材料轉化為軟性的多孔層,研究人員們只得另外採用一些技巧。傳統上,蝕刻製程用於構造鍺的表面。然而,由上而下的策略難以在原子級進行控制,因而必須採取新的步驟來解決這個問題。

Fassler與其研究團隊開發出一種合成方法,能夠十分精準且可重複地製造出所需的結構。這種原材料是具有9種原子排列成簇的鍺。由於這些原子簇帶電,如果散開的話會彼此相斥。只有在溶劑蒸發後才會集結成簇。

這只要透過加熱至500℃就能輕鬆地實現了,或者也可以利用化學誘導的方式,例如增加氯化鍺。藉由採用像氯化磷等其他氯化物,就能輕鬆地摻雜鍺結構。這讓研究人員們能以針對性的方式直接調整所取得的奈米材料特性。

為了賦予鍺原子簇所需的多孔結構,慕尼黑大學的研究人員Dina Fattakhova-Rohlfing開發出一種可實現奈米結構的方法:在最初的步驟中,以微型的聚合物微珠形成3D模板。接著,在這些微珠之間填充鍺簇溶液。一旦在微珠的表面形成穩定的鍺網路後,即可加熱去除模板。最後留下高度多孔隙的奈米薄膜。

部署的聚合物微珠直徑約50∼200nm,並且形成一種蛋白石結構。而出現在表面的鍺支架作為負模板——形成一種反蛋白石結構,而這也是為什麼奈米層像蛋白石一樣閃爍微光之故。

「多孔的鍺材料具有獨特的光電特性,適用於許多與能源相關的應用,」與Fassler共同開發這種材料的慕尼黑大學研究人員Dina Fattakhova-Rohlfing表示。「除此之外,我們還可在孔隙中填充各種功能性的材料,從而打造出廣泛的新型混合材料。」

「在結合聚合物時,多孔的鍺結構適於開發新一代的穩定、輕型且軟性的太陽能電池,讓使用者可在行動中同時為手機、相機與筆記型電腦充電,」慕尼黑工業大學功能材料教授Peter Muller-Buschbaum表示。

目前全世界各地的製造商都在尋找重量輕且堅固的材料,以便用於打造可攜式的太陽能電池。截至目前為止,大部份的研究人員們主要採用有機化合物,但這是一種相當敏感且壽命很短的材料。而一般聚合物經過加熱或照明都可能使其分解,從而導致性能退化。如今,德國研究人員開發出這種堅韌的奈米鍺混合薄層,可望為可攜式太陽能電池帶來全新選擇。

世界各地的製造商都在尋找重量輕,堅固的材料,便攜式太陽能電池使用。迄今為止它們主要用於有機化合物,這是敏感的和具有相對短的壽命。熱和光分解聚合物和導致性能降低。薄但強勁的鍺混合層提供一個真正的選擇。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Can nanostructured germanium pave the way to portable photovoltaics?,by Paul Buckley)





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