美國佐治亞理工學(xué)院和中國廈門大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)攜手研發(fā)出了一種新技術(shù)，將一模一樣的二氧化鈦納米棒“種植”在碳纖維上，利用這種簡單低廉的材料制造高質(zhì)量管狀太陽能電池。新方法與經(jīng)常使用的溶膠—凝膠法相比更具優(yōu)勢(shì)，后者需要高溫且會(huì)導(dǎo)致材料破碎。研究論文發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)》會(huì)刊上。

與傳統(tǒng)的平板太陽能電池相比，種植在碳纖維表面的由二氧化鈦半導(dǎo)體納米棒組成的奇特結(jié)構(gòu)擁有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種柔性管狀太陽能電池能捕捉來自各個(gè)方向的光線，甚至有潛力編織進(jìn)布料和紙張中，以應(yīng)用于新奇的領(lǐng)域。

該研究的聯(lián)合作者、佐治亞理工學(xué)院的郭文希（音譯）表示：“這項(xiàng)研究演示了一種創(chuàng)新性的在柔性襯底上種植成串二氧化鈦納米棒的方法，得到的產(chǎn)品能被用到柔性設(shè)備上用于捕捉和存儲(chǔ)能量。”

制造管狀太陽能電池是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰M(jìn)行很多步驟，包括將純凈的鈦薄片變成二氧化鈦納米棒，用納米棒覆蓋碳纖維并將納米棒整齊劃一地排列在碳纖維上等。研究人員解釋道，在碳纖維上鋪展二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)理想方法是將二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)直接種植在碳纖維表面。

研究人員通過“溶解和種植”方法做到了這一點(diǎn)，該方法將鈦?zhàn)兂纱怪睂?duì)齊的單晶體二氧化鈦納米棒，并鋪展在碳纖維上。接著，為了進(jìn)一步改善設(shè)備的性能，科學(xué)家們使用“蝕刻和種植”法，即使用鹽酸并借用一種水熱處理方法，將納米棒蝕刻成為長方形的成串陣列。

隨后，科學(xué)家們將由納米棒覆蓋的碳纖維裝配成管狀染料敏化太陽能電池（DSSC）的光電陽極，并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了其性能。結(jié)果表明，長方形成串的納米棒配置獲得的光電轉(zhuǎn)化效率為1.28%，而不成串配置的光電轉(zhuǎn)化效率僅為0.76%。科學(xué)家們認(rèn)為，差異源于成串納米棒的表面積更大，能吸收的染料分子更多，導(dǎo)致激發(fā)的電子也更多。

表面積更大讓管狀太陽能電池能捕捉來自各個(gè)方向的光線，使它們更適合用于太陽光強(qiáng)度有限的地區(qū)。除了制造出太陽能電池，新方法也能被擴(kuò)展到制造光催化劑和鋰離子電池。

郭文希表示：“未來，我們或許僅僅使用碳材料和二氧化鈦就能制造出有潛力的織入布料和紙張中的染料敏化太陽能電池。”