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令人惊艳的纳米碳管太阳能电池

2007-03-23 14:29
吃瓜天狼
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美国科学家近期发表了一项利用纳米碳管来提升染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cell, DSSC)转换效率的研究,这种太阳电池以二氧化钛(TiO2)为材料,这是一种容易取得且便宜的化合物,经常被用于涂料及遮光剂中。圣母大学(University of Notre Dame)的Prashant Kamat等人将二氧化钛的纳米颗粒吸附于单壁式纳米碳管(single-walled carbon nanotube, SWNT)上,并由测量发现其紫外光转换为电流的效率为仅使用二氧化钛的两倍。

科学家对于利用纳米级光触媒(photocatalyst)来设计太阳电池一向相当感兴趣,特别是以纳米级二氧化钛薄膜来修饰增感染料的太阳电池。这种太阳电池的魅力在于此纳米颗粒具有很大的潜力来吸收光能,并产生电子。虽然这类组件的太阳光转换效率刚出场就达到10%,但之后要再进一步提升其效能却变得相当困难,而且其转换效率仍然低于传统的硅太阳电池,这是由于主动层(纳米级TiO2薄膜)产生的电子,很难被顺利的传导出来形成电流。

最近,Kamat等人利用纳米碳管来引导光生电荷载子(photogenerated charge carrier)的流动,使电荷更容易到达电极成为电流。为了达成这个结果,研究人员于电极(碳纤维或导电玻璃)上形成一层纳米碳管,这层纳米碳管就如同支架一般,支撑着后续沉积于其上的TiO2纳米颗粒。纳米碳管不但可以有效地收集生成的电子,并且提供一个更直接的路径指向电极,因此可以改善太阳能电池的效率。

这个新的纳米碳管与纳米颗粒系统目前尚未实际应用于太阳电池的模块上,这是由于TiO2仅能吸收紫外光,而大部分的可见光波仍会被反射。然而,研究者说明,通过在纳米颗粒表面上包覆量子点(quantum dots)的方式,目前已经可以吸收入射光中的可见光波段;由于量子点能将高能量的光子转换为多个电子,并非像在传统材料中一个光子仅能产生一个电子,因此可以使整体的转换效率更加提升。


Electron transport across nanostructured semiconductor films: (A) in the absence and (B) in the presence of a nanotube support architecture (image courtesy: Nano Lett.).

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