淺談碳納米管電極降低太陽(yáng)能電池成本

碳納米管森林可以有效替代鉑（platinum）電極，用于染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC：dye-sensitized solar cells），這項新的研究是萊斯大學(xué)（Rice University）進(jìn)行的。

這種單壁碳納米管陣列的培育工藝是萊斯大學(xué)發(fā)明的，具有更大的電活性，而且比鉑金更便宜，鉑是常見(jiàn)的催化劑，用于染料敏化太陽(yáng)能電池，婁軍（Jun Lou）表示，他是萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家。結合新開(kāi)發(fā)的硫化電解質(zhì)，他們可制成更有效率和更強大的太陽(yáng)能電池，成本只有目前傳統硅基太陽(yáng)能電池的一小部分。

與婁軍共同牽頭的研究人員是材料科學(xué)與工程教授林紅（Hong Lin），4月16日，他們詳細介紹了他們的研究，在線(xiàn)發(fā)表在網(wǎng)上開(kāi)放閱讀的《自然》雜志《科學(xué)報告》（Scientific Reports）上，題為《高電催化活性的垂直排列單壁碳納米管用于硫化物氧化還原梭子》（High Electrocatalytic Activity of Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes towards Sulfide Redox Shuttles）。

染料敏化太陽(yáng)能電池很容易制造，勝過(guò)硅基固態(tài)光伏電池，但效率不高，婁軍說(shuō)，他是機械工程和材料科學(xué)的助理教授?！叭玖厦艋?yáng)能電池的感光性來(lái)自染料，理想的有機染料就像漿果的果汁，實(shí)際上有些學(xué)生已經(jīng)在演示中使用過(guò)?！?/p>

這些陣列是垂直排列的單壁碳納米管（VASWCNTs：vertically aligned single-walled carbon nanotubes），是萊斯大學(xué)培育的，這種碳納米管很關(guān)鍵，可制備更好、更便宜的染料敏化太陽(yáng)能電池，替代更昂貴的硅太陽(yáng)能電池。這些陣列要轉移到導電玻璃上，覆蓋上第二層鈦氧化物（titanium oxide）電極，周?chē)派闲麻_(kāi)發(fā)的無(wú)碘電解質(zhì)。染料吸收陽(yáng)光中的光子，產(chǎn)生電荷，形式上就是電子，這些電子首先要捕捉到鈦氧化物半導體層，這一層沉積在集電器上，然后流回相反電極，這要經(jīng)過(guò)另一個(gè)集電器。進(jìn)展已經(jīng)取得，就是在制備染料敏化太陽(yáng)能電池時(shí)，納入碘基電解質(zhì)，但碘會(huì )腐蝕金屬集電器，“這就提出一個(gè)挑戰，會(huì )影響長(cháng)期可靠性，”婁軍說(shuō)。

碘電解質(zhì)也有不足的方面，就是吸收的光只有可見(jiàn)光波長(cháng)，“這意味著(zhù)只可以利用較少的光子，”婁軍說(shuō)。

因此，研究人員決定嘗試一種非腐蝕性的硫化物電解液，因為很少吸收可見(jiàn)光，而且可以很好地適應單壁碳納米管沉積層，這種沉積層是萊斯大學(xué)羅伯特?豪格（Robert Hauge）實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的，豪格是論文的共同作者，也是杰出化學(xué)教職研究員，就職于萊斯大學(xué)理查德?E?斯莫利納米科學(xué)與技術(shù)研究所（Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology）。

“這些都是用途很廣的材料，”婁軍說(shuō)?！皢伪谔技{米管在萊斯大學(xué)已經(jīng)有很長(cháng)一段時(shí)間，人們發(fā)現，它們有許多不同使用方式。這是另一種方式，確實(shí)可以很好地匹配硫化物電解質(zhì)，用于染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)?！?/p>

萊斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的染料敏化太陽(yáng)能電池，取代鉑金，采用碳納米管、碘電解質(zhì)與硫化物電解質(zhì)。研究人員希望，使染料敏化太陽(yáng)能電池更好更便宜

萊斯大學(xué)制成可用的太陽(yáng)能電池，具有類(lèi)似的結果。它們可達到5.25％的功率轉換效率，低于染料敏化太陽(yáng)能電池的紀錄，就是11％，這要采用碘電解質(zhì)和鉑電極，但是，明顯高于對照試驗中結合采用的新電解質(zhì)與傳統鉑反電極。婁軍說(shuō)，新電解質(zhì)和反電極之間的電阻是“我們見(jiàn)過(guò)的最低的”，婁軍說(shuō)。

但是，還有很多工作要做?！疤技{米管和集電器之間，仍然有相當大的接觸電阻，而且，從效果上看，結構上有缺陷的碳納米管，相應的催化性能還不完全清楚，但我們相信，一旦我們完成優(yōu)化，就會(huì )取得理想的效率，使整個(gè)產(chǎn)品很實(shí)惠，”婁軍說(shuō)?！罢嬲说氖?，它成本非常低，可替代硅太陽(yáng)能電池?！?/p>