《纳米快报》：“缺陷”碳纳米管薄膜可改善太阳能电池表现

纳米技术正在为太阳能电池性质的改进铺平道路。美国科学家的一项最新研究发现，碳纳米管薄膜可以用来替换太阳能电池中通常使用的两层物质，而让人惊讶的是，要让碳纳米管薄膜胜任这一位置，必须向其中添加一些“缺陷”。新的研究结果有望在降低成本的同时，提高太阳能电池的表现。相关论文发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

 

太阳能电池中有一类名为染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells），它们内部有一层透明且可导电的氧化物薄膜。此外，染料敏化电池内部还有一层单独的铂薄膜，作为加速相关化学反应的催化剂。不过，这两种材料目前都存在不足之处。氧化物薄膜不易应用于柔软易弯曲变形的材料，它们在刚性的耐热衬底（比如玻璃）上的表现更好。氧化物的这一约束会增加成本并限制太阳能电池产品的种类。而对于铂膜来说，制造它需要昂贵的设备。

 

在最新研究中，美国圣塔菲研究所的Jessika Trancik、密歇根州立大学的Scott Calabrese Barton以及哥伦比亚大学的James Hone等人决定利用碳纳米管来制造一种单层薄膜，它能够同时起到氧化物和铂薄膜的功能。为了实现这一目标，碳纳米管薄膜必须具有三种特性：透明、导电以及催化活性。

 

普通的碳纳米管在这三方面都差强人意。要显著改善其中之一，则往往会牺牲掉其他二者。比如，碳纳米管薄膜如果厚一些则会成为更好的催化剂，但透明度就会较差。

 

此前有理论表明，如果材料中有微小的缺陷，为化学反应物提供附着位置，那么就有可能起到更好的催化效果。因此，研究人员尝试着将碳纳米管暴露在臭氧中，后者能增加其粗糙性。他们发现，对于很薄的碳纳米管膜而言，增加缺陷会使其催化能力提升10倍多。

 

为了解决透明度和导电性的平衡问题，研究人员对碳纳米管底层采用了另一个小技巧——创造更长的碳纳米管，这样可以同时提升薄膜的导电性和透明度。

 

新的方法或许同样可以利用与燃料电池或蓄电池中。Trancik表示，“这项研究是一个范例，利用材料的纳米结构处理——在微小尺度上改变缺陷密度和纳米管长度，来转变材料各种特性的制衡，并让某种特定材料拥有更好的表现。以先进的方式创造廉价的材料对于实现低碳排放和低能耗技术的目标具有重要意义。”

 

据报道，研究人员目前正在为这项新技术申请专利。（科学网 任霄鹏/编译）

 

（《纳米快报》（Nano Letters），8 (4), 982–987, 2008. 10.1021/nl071945i，Jessika E. Trancik, Scott Calabrese Barton, and James Hone）