[发明专利]用于能量生成应用的新型碳纳米结构

说明书

这涉及一种用于检测或转换光能或热能的设备，所述设备包括：石墨烯片，形成卷以提供单层结构，在该单层结构中，所述石墨烯片的曲率半径随着距所述卷的纵轴线的距离增加而增加。

介绍

发明的领域

本发明总体上涉及用于检测或转换光/热能的设备。

相关技术的描述

太阳能吸收

任何太阳能电池的最终目标是能够在单个结构中吸收太阳能的多个波长。

这已在多结太阳能电池中实现，这些电池通过将若干太阳能电池或p-n结组合成包含多个子电池的多结电池来实现其高效率。这些子电池中的每一个由具有用以匹配入射光的不同波长的不同带隙的不同半导体材料组成。通常，每个电池具有三结电池配置，在三结电池配置中三个子电池串联电连接。子电池也按光学序列放置，以使带隙最大的子电池位于顶部(面向太阳)，而其他子电池按带隙的宽度降序排列。因此，在顶部子电池中，仅具有最高能量的光子被吸收。具有较低能量的光子将传输到下面的子电池，依此类推。这样，多结太阳能电池将宽的太阳能光谱划分成多个波段，与单结情况相比，各个子电池可以更有效地使用每个波段。特别地，具有较高能量的光子比具有较低能量的光子贡献更大的光电压。多结太阳能电池需要隧道二极管，以将电流从一个子电池传递到另一个子电池。最先进的多结电池提供约40％的能量转换效率。

尽管与单结太阳能电池相比，这些多结太阳能电池的效率相对较高，但问题在于高制造复杂性和相关的生产成本。绕过高制造复杂性的一种方式是堆叠硅层。硅相对便宜且丰富，并且吸收太阳光线中的大量高能光子，这使其成为了常规太阳能电池的标准。然而，在三结太阳能电池中，成本将是常规硅太阳能电池的成本的三倍。

此外，常规的多结太阳能电池的设计并不实际，因为它需要阳光垂直地落在结构的表面上或需要使用反射器。

在太阳能电池中实现更高吸收率的另一种方式是使用可被调整以吸收太阳能的多个波长的单个连续材料。现有技术很难实现这一点，因为很难控制进行选择性掺杂。然而，使用垂直排列的碳纳米管已经实现了宽带吸收，尽管使用碳纳米管“森林”作为太阳能电池的挑战是尚非将吸收的太阳能转换成可用的电流的实用方式。

这些垂直排列的单壁碳纳米管的“森林”可以具有对从远紫外(200nm)到远红外(200μm)波长的吸收率。SWNT森林(巴克纸)通过超生长CVD方法生长到大约10μm高度。两个因素可以贡献于这些结构的强光吸收：(i)CNT手性和直径的分布导致各个CNT所针对的带隙不同(参见图1中的Kataura图)。由此形成针对宽带吸收的复合材料。(ii)由于多次反射，光线可能会被困在那些森林中。

在Kataura图中，随着纳米管直径的增加，电子跃迁的能量减少。图1示出了在SWCNT中的光吸收与在多结太阳能电池中堆叠的材料的带隙能量的对比，示出了具有不同直径的一系列SWCNT可以实现与在多结太阳能电池中发现的相同的带隙能量。

研究人员最近证明了半导体单壁碳纳米管(s-SWNT)用作薄膜光伏(TFPV)活性层中的组分的可行性。TFPV技术专注于使用适合低成本加工技术的材料生产高效的太阳能电池。