通过控制碳纳米管提高光伏电池效率

研究结果证明，可以直接在碳纳米管（CNT）的生长过程中控制其结构。这提高了CNT的应用潜力，可以在能量损耗最小情况下，以更高速度并在更远距离内传输电学信号。这也提供了获得新电子器件的可能，例如高性能的精简计算机、具有超级电容的电极、燃料电池以及其他应用，同时也可以提高光伏电池等现有器件的性能。

该项研究工作是在University of Louisville（肯塔基州，Louisville）和普度大学（印第安纳州，West Lafayette）开展的，并受到了本田美国研究院（Honda Research Institute USA，俄亥俄州Columbus）的资助。研究人员在金属纳米颗粒表面生长CNT，在蜂窝状环形薄层上形成圆柱形结构，而碳原子就处于这些结构的顶端。当这些CNT表现出金属性导电特征时，它们的机械强度比钢还要高，导电能力比铜还更强，热传导能力可与金刚石比拟，而且它们非常轻。

CNT的各种组合（n, m）形式。每种组合（n, m）对应一种具体的结构和相应的导电性：红色和粉色表现出金属性质，而蓝色为半导体性质。通过控制催化颗粒的形状和尺寸，可以获得的择优性生长的金属性CNT，其组合如图所示，圆柱的高度表示材料上生长特定（n, m）CNT的相对概率。（来源：本田美国研究院）
 

该研究结果已经发表在10月2日出版的《科学》期刊上，题为“Preferential Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes With Metallic Conductivity”。据研究报告，单壁CNT（SWCNT）根据其导电能力可以分为金属型和半导体型，而其导电能力又取决于碳管的手性。传统的合成方法不能生长出具有特定导电能力的纳米管。以前通过普通方法控制金属导电型CNT结构，但成功的几率只有20-50%。然而，研究人员认为，通过改变催化剂热退火时的气体环境，并加入一些氧化性和还原性组分，可以将金属导电型CNT的形成几率从约33%提高到91%。

本田和学术界的研究人员发现，通过在制作工艺过程中使用氩气或氦气作为承载气体，可以控制生长的CNT，使之变成金属型或半导体型。根据本田研究院的首席科学家Avetik Harutyunyan介绍，这是关于系统地控制金属态CNT生长的首次报道。“进一步的研究还在进行之中，最终的目标是完全控制纳米管的生长组合以支持现实应用。”

Harutyunyan还介绍说，过去的观点认为，金属纳米催化剂主要用于CNT成核，而催化剂的尺寸决定了CNT的导电能力，但现在的研究表明，催化剂的形状和晶体结构也具有很大影响，而正是通过对这些因素的控制实现了对CNT导电性能的控制。过去整个生长CNT的工艺是随机的，因此无法决定得到的是半导体型还是金属型（不同种类对应不同的应用）碳管。金属型纳米管在诸多领域更为有用，这包括作为导体材料连接其他纳米结构、作为太阳能电池以及其他光学和电子器件的窗口材料。

在普度大学的研究团队由Eric Stach领导，使用由本田开发的技术，制造了大量CNT并精确地测定了其导电属性。他们使用TEM来观测纳米管形成，结果表明，气体环境的变化可以改变金属催化剂纳米颗粒的形状，从非常尖锐的表面可以变成完全球形的表面。这些催化剂结构重排表明，在催化剂形貌与获得的CNT电学结构之间，存在一定关系，进而表明可选择生长的手性。由Gamini Sumanasekera领导的Louisville研究人员，则制作了薄膜状的CNT，并进行了仔细的测量以确定该纳米管是否形成了金属态。

Sumanasekera期望这一发现可以重新激发这一领域的兴趣。“碳纳米管可能会取代一些目前被普遍使用的材料，可以满足对导电性和透光能力的更高需求”，他这样认为。