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管状太阳能电池织成服装

2012-03-08 09:22
逆光飞舞
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  二氧化钛(Titania)半导体纳米棒生长在碳纤维的表面,看起来更像是小毛刷上的刷毛,而不像太阳能电池,但这种新颖的配置有几个优点,胜过传统的平板太阳能电池。例如,这种柔性管状形电池可以捕捉各个方向的阳光,甚至可织成服装,制成纸张,进行新的应用。但在目前的开发阶段,研究人员正在努力找到一种简单,低成本的方法,以制造这种高品质的管状太阳能电池。

  佐治亚州(Georgia)亚特兰大(Atlanta)佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的一组研究人员,最近开发出一种新方法,可以制备均匀的钛白粉(TiO2)纳米棒,是在碳纤维上制备。这种新方法具有几个优点,胜过较常用的溶胶-凝胶法(sol-gelmethod),凝胶法需要高温,而且可能导致材料裂缝。这项新的研究发表在最近一期的《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)上。

  “这项研究展示了一种创新的方法,用于培育成束的二氧化钛纳米棒,采用柔性衬底,可用于柔性设备,进行能量利用和储存,”佐治亚理工学院研究人员说。

示意图中是碳纤维上的二氧化钛纳米棒阵列,采用“溶解培育”方法制作。

示意图中是碳纤维上的二氧化钛纳米棒阵列,采用“溶解培育”方法制作。

  制备管状太阳能电池具有挑战性,这是因为需要多个步骤,其中包括把纯钛箔转化成二氧化钛纳米棒,给碳纤维涂上纳米棒,而且要均匀地把这些纳米棒排列在纤维上。研究人员解释说,有一种理想的方法,可以在碳纤维上制备二氧化钛纳米结构,这就是直接在纤维的表面进行培育。他们这样做,在这里采用了“溶解和培育”的方法,把钛转化成垂直排列的单晶二氧化钛纳米棒,这是在碳纤维上进行的。

  然后,为了进一步提高设备的性能,研究人员用“蚀刻和培育”方法,把这些纳米棒蚀刻成矩形成束阵列,这要使用盐酸(hydrochloric acid)热液(hydrothermal)处理。

扫描电子显微镜(Scanning electron microscope)图像显示,二氧化钛纳米棒阵列均匀覆盖碳纤维。

  扫描电子显微镜(Scanning electron microscope)图像显示,二氧化钛纳米棒阵列均匀覆盖碳纤维

  把纳米棒覆盖的碳纤维组装成光电阳极(photoanodes),用于管状染料敏化太阳能电池(DSSCs:dye-sensitized solar cells),之后,研究人员实验测试了太阳能电池的性能。结果表明,矩形成束的纳米棒结构取得的能量转换效率为1.28%,相比之下,非成束结构为0.76%。研究认为,这一差异是因为,成束的纳米棒表面积较大,从而使更多的染料分子被吸收,可诱导更多的电子激发。

  更大的表面积,使管状太阳能电池能够捕捉各个方向的阳光,这使它很有吸引力,可以用于强烈照射的阳光下。除了制作太阳能电池之外,这种方法在碳纤维上培育二氧化钛纳米线,可以进行扩展,用于制造光催化剂(photocatalysts)和锂离子电池(lithium ion batteries)。但也许最独特的应用是把它们编织成面料。

  “在未来,我们可能会引入碳纤维或其他碳材料,用作反电极(counter electrodes),用于这种配置,”研究人员说。“在这种情况下,我们可以制造染料敏化太阳能电池,只需采用碳材料和二氧化钛,这种电池有可能制成布料和纸张。我们还计划做一些混合产品,采用这种配置获取不同的能源。”

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