氧化鈦奈米管可有效降低太陽(yáng)能電池成本

上世紀(jì)人類(lèi)就開(kāi)始探索可再生能源，太陽(yáng)能利用可謂是重中之重，在這些年的探索中，太陽(yáng)能的利用有了長(zhǎng)足發(fā)展，其中光伏產(chǎn)業(yè)的興起，帶動(dòng)了新產(chǎn)業(yè)鏈的誕生。氧化鈦奈米管的研制成功，標(biāo)志著太陽(yáng)能電池成本的降低，對(duì)這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，起到了帶動(dòng)作用。
早期的研究
2001年，Grimes的研究小組論證了在矽微電子上整合碳奈米管的可行性，透過(guò)在矽基板上調(diào)整頂部開(kāi)口的碳奈米管，采用奈米多孔、經(jīng)過(guò)陽(yáng)極電鍍的氧化鋁板。當(dāng)時(shí)，研究證實(shí)了他們能用預(yù)先定型的氧化鋁板控制奈米管陣列的直徑、長(zhǎng)度和密度。
Grimes預(yù)測(cè)，同一方法將適于排列更加整齊的氧化鈦奈米管陣列，用于染料敏化太陽(yáng)能電池?！肝覀冄芯康募夹g(shù)重要性在于我們能制造這種真正薄的陰極──360奈米厚──與常規(guī)染料太陽(yáng)能電池相較，可大幅提升電流密度，」Grimes說(shuō)。
下一步，賓州研究小組期望加長(zhǎng)氧化鈦奈米管來(lái)增強(qiáng)其效率。「我們已經(jīng)培育出非常整齊的碳奈米管陣列，長(zhǎng)達(dá)6微米，當(dāng)你由我們現(xiàn)有的氧化鈦奈米管原型推斷那么長(zhǎng)的奈米管時(shí)，你會(huì)得到顯著的光電效率。」奈米管還開(kāi)啟了直接將水轉(zhuǎn)換為氫氧的可能性。奈米管中空的內(nèi)部核心將被用于儲(chǔ)存自由氫原子。
該小組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，高整齊度排列的氧化鈦奈米管陣列當(dāng)用紫外光照射時(shí)能制成氫。目前的任務(wù)是將該流程轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光譜，有潛力創(chuàng)造一種由太陽(yáng)能產(chǎn)生氫的實(shí)用商業(yè)化方法。 Grimes的研究團(tuán)隊(duì)研究資金來(lái)自美國(guó)國(guó)家科技基金會(huì)、賓州氫中心和材料研究院。
研發(fā)及利用
染料敏化(dye-sensitized)的太陽(yáng)能電池為再生能源提供了低成本選擇，但其效率最高達(dá)到令人沮喪的11美分。如今，賓州大學(xué)的一個(gè)計(jì)劃提議，將氧化鈦(titania，titanium oxide)奈米管陣列組合可望提供所需的效率，從而促進(jìn)了電池的商用化。
"我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了非常整齊的奈米管陣列，長(zhǎng)6.4微米。把這些薄膜整合在染料太陽(yáng)能電池內(nèi)將使我們從這種低成本太陽(yáng)光電池技術(shù)獲得顯著的光轉(zhuǎn)換效率，可能在20 %的范圍內(nèi)，"賓州大學(xué)電氣工程和材料科學(xué)工程教授Craig Grimes表示。他聲稱(chēng)，這種材料的「理想極限」是33%。
Grimes的透明奈米管構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)染料太陽(yáng)能電池的陰極，并提供電子過(guò)濾的有效技術(shù)。他透露，該小組獲得2.9%的光轉(zhuǎn)換效率，電極長(zhǎng)度只有360奈米，他預(yù)測(cè)當(dāng)奈米管長(zhǎng)度增大時(shí)，效率可達(dá)到20%。 Grimes的研究小組還計(jì)劃利用該技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從太陽(yáng)能電池制造出氫燃料。
"這是一種用于分解水的令人訝異的材料結(jié)構(gòu)──即，透過(guò)分離水使陽(yáng)光產(chǎn)生氫，"Grimes說(shuō)。 "基本上，我們是指將水放在材料頂部，因此陽(yáng)光可將水轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜脱酢?
"利用這項(xiàng)技術(shù)，我們的奈米管陣列、紫外線(xiàn)發(fā)光已具有13.1%的光轉(zhuǎn)換效率。這意味著你從這個(gè)系統(tǒng)中的每一個(gè)光子獲得許多氫。如果我們能成功地將這一能帶隙轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光譜，我們還將得到商業(yè)上實(shí)用的、可伸縮的透過(guò)太陽(yáng)能產(chǎn)生氫的方法。"