管状太阳能电池织成服装

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。 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。 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。”