淺談碳納米管電極降低太陽能電池成本

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

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，鉑是常見的催化劑，用于染料敏化太陽能電池，婁軍（Jun Lou）表示，他是萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家。結(jié)合新開發(fā)的硫化電解質(zhì)，他們可制成更有效率和更強大的太陽能電池，成本只有目前傳統(tǒng)硅基太陽能電池的一小部分。

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，在線發(fā)表在網(wǎng)上開放閱讀的《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）。

染料敏化太陽能電池很容易制造，勝過硅基固態(tài)光伏電池，但效率不高，婁軍說，他是機械工程和材料科學(xué)的助理教授?！叭玖厦艋柲茈姵氐母泄庑詠碜匀玖?，理想的有機染料就像漿果的果汁，實際上有些學(xué)生已經(jīng)在演示中使用過。”

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能電池，替代更昂貴的硅太陽能電池。這些陣列要轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電玻璃上，覆蓋上第二層鈦氧化物（titanium oxide）電極，周圍放上新開發(fā)的無碘電解質(zhì)。染料吸收陽光中的光子，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(dǎo)體層，這一層沉積在集電器上，然后流回相反電極，這要經(jīng)過另一個集電器。進展已經(jīng)取得，就是在制備染料敏化太陽能電池時，納入碘基電解質(zhì)，但碘會腐蝕金屬集電器，“這就提出一個挑戰(zhàn)，會影響長期可靠性，”婁軍說。

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

因此，研究人員決定嘗試一種非腐蝕性的硫化物電解液，因為很少吸收可見光，而且可以很好地適應(yīng)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）實驗室開發(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?！皢伪谔技{米管在萊斯大學(xué)已經(jīng)有很長一段時間，人們發(fā)現(xiàn)，它們有許多不同使用方式。這是另一種方式，確實可以很好地匹配硫化物電解質(zhì)，用于染料敏化太陽能電池技術(shù)?！?/p>

萊斯大學(xué)開發(fā)的染料敏化太陽能電池，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，使染料敏化太陽能電池更好更便宜

萊斯大學(xué)制成可用的太陽能電池，具有類似的結(jié)果。它們可達到5.25％的功率轉(zhuǎn)換效率，低于染料敏化太陽能電池的紀錄，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(jié)合采用的新電解質(zhì)與傳統(tǒng)鉑反電極。婁軍說，新電解質(zhì)和反電極之間的電阻是“我們見過的最低的”，婁軍說。

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(jié)構(gòu)上有缺陷的碳納米管，相應(yīng)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，就會取得理想的效率，使整個產(chǎn)品很實惠，”婁軍說?！罢嬲说氖?，它成本非常低，可替代硅太陽能電池?！?/p>