引言
在最新的一期Nature系列研究论文中，科学家们成功开发了一种全新的双面面板，其前后电极采用了单壁碳纳米管。这些碳纳米管的直径仅为2.2纳米，比人类DNA还要薄，而一张纸则相当于堆叠了45000个纳米管的厚度。这项研究成果刊登在《Nature Communication》上，参与其中的研究团队来自Surrey大学、剑桥大学、中国科学院、西安电子科技大学和郑州大学。
据Surrey先进技术研究所的研究员Jing Zhang博士介绍：“我们的双面电池能够同时从前后板收集阳光，这将带来更多的能量，并且减少对光照角度的依赖。”她还补充道：“我们使用的碳纳米管具有极高的透明性和优良的导电性能，这将有望为数百万人提供清洁能源。”
据了解，这些面板每平方厘米可产生超过36 mW的功率，而后面板产生的功率几乎是前面板的97%。相比之下，目前市场上大多数双面面板的功率利用率仅在75%-95%之间。
最后，先进技术研究所所长Ravi Silva CBE教授表示：“没有太阳能，我们无法摆脱碳排放，而实现这一目标需要更便宜的太阳能。双面吸收阳光的面板是降低成本、提高效益的良策。”他还指出：“我们生产的单结太阳能电池可以说是迄今为止效率最高的，而且我们的电池板制造成本比普通的单面太阳能电池板低70%。这将改变市场并简化基于钙钛矿太阳能电池的架构。”(以上内容来源：中国科学院半导体所图书馆)
研究背景
随着全球对清洁、可持续能源的需求不断增加，太阳能作为一种丰富而可再生的资源引起了广泛关注。传统的单面太阳能电池(PV)系统虽然取得了显著进展，但其在提高功率输出和降低成本方面仍存在一些限制。太阳能光伏系统的发展引起了对提高电力产能和降低电力等级成本(LCOE)的迫切需求。目前，单面太阳能电池的效率提高和成本降低的速度不足以满足全球电力需求的可持续发展。因此，科学家们开始关注双面太阳能电池技术，其可以从前后两面捕获阳光，提高了光电转换效率。然而，现有的双面太阳能电池技术在制造复杂性、成本和稳定性方面面临挑战。传统的电极材料，如透明导电氧化物，不仅在制造过程中复杂，而且在柔性设备中存在脆性问题。
为解决双面太阳能电池技术中存在的问题，萨里大学张伟教授、中国科学院金属研究所院侯鹏翔教授以及成会明院士、剑桥大学的S. Ravi P. Silva教授携手在Nature communications期刊发表题为“High-performance bifacial perovskite solar cells enabled by single-walled carbon nanotubes”的最新成果。本研究采用了一种创新的方法，利用单壁碳纳米管(SWCNTs)作为双面太阳能电池的前后电极，研究团队成功地提高了双面太阳能电池的功率输出，并解决了传统材料在柔性和稳定性方面的局限性。此外，研究团队通过深入研究SWCNTs与电子/空穴传输材料的相互作用，优化了器件性能。结果表明，这种创新的电极材料在实现超高功率发生密度、耐久性和柔性方面取得了显著的成功。通过模拟未来25年的电力产出，研究还展示了SWCNTs作为电极材料的持久性和可靠性。
图文解读
太阳能被认为是一种丰富且可负担得起的能源形式，但其在光伏系统中的利用率仍然有待提高。在这项研究中，研究者通过以下图表展示了他们使用双壁碳纳米管(SWCNTs)作为双面钙钛矿太阳能电池(PSCs)的前后电极的创新方法。具体来说，图1表征了采用FCCVD方法制备的SWCNTs的光学和电学特性。该图揭示了SWCNTs在透明度、导电性和稳定性方面的卓越性能。通过FCCVD方法制备的SWCNTs表现出令人满意的光学和电学特性，为其在太阳能电池中的应用提供了坚实基础。
图1. 采用FCCVD方法制备的SWCNT的光学和电学特性。
在图2中研究者展示了双面PSCs的光学特性。这一部分的结果说明SWCNTs作为前后电极的性能表现出色，为实现高效、稳定的太阳能电池提供了潜在方案。
图2. 半器件的光学特性。
图3展示了全碳电极双面PSCs的光伏性能，具体数据展现了其超过98%的双面性能因子和36%以上的功率发电密度。
图3. 全碳电极双面PSC的光伏性能。
图4详细呈现了柔性全碳电极PSCs的光伏参数和稳定性。结果表明，这种器件具有出色的机械耐久性和电池性能，为实际应用提供了可行的解决方案。
图4. 柔性全碳电极PSC的光伏参数和稳定性。
最值得注意的是，在图5中研究者模拟了这些双面SWCNT@85% PSCs在短期(1年)和长期(26年)内的功率输出。模拟结果显示了这种技术在长期内能够保持稳定的电力输出，强调了其可持续性和实用性。
图5：双面SWCNT@85% PSC的短期(1年)和长期(26年)功率输出模拟。
结论展望
本研究以创新的科学思路为基础，尝试采用单壁碳纳米管作为双面光伏器件的前后电极，以解决传统技术所面临的制约。碳纳米管具有高透明度、高导电性和机械柔韧性等卓越性能，为双面光伏技术的突破提供了可能性。通过深入研究碳纳米管与电子/空穴传输材料的相互作用，并对器件性能进行优化，科学家们成功制备了高效、稳定且成本相对较低的双面钙钛矿太阳能电池。
