管状太阳能电池织成服装

成束的矩形纳米棒结构，能量转换效率为1.28％，非成束结构为0.76％，因为，成束的纳米棒表面积更大，可吸收更多的染料分子，激发更多的电子。

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-gel method），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。来源：佐治亚理工学院

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。”

更多信息：《矩形成束金红石二氧化钛纳米棒阵列生长在碳纤维上用于染料敏化太阳能电池》（Rectangular Bunched Rutile TiO2 Nanorod Arrays Grown on Carbon Fiber for Dye-Sensitized Solar Cells.）。《美国化学学会杂志》，发表于2012年2月2日。

文中说，因为有特殊的光伏应用，所以，柔性基板上培育一维单晶二氧化钛纳米结构，正在引起密切的关注。在这里，他们发表的研究，是一种长方形的成束二氧化钛纳米棒阵列，是在碳纤维上用钛培育，采用了“溶解和培育”方法。用强酸性溶液腐蚀加工后，每一根纳米棒都被蚀刻成大量的小纳米线。管状染料敏化太阳能电池的制备，要使用蚀刻过的二氧化钛纳米棒，涂在碳纤维上，用作光电阳极。绝对能量转换效率为1.28％，测试采用了100 mW cm²AM 1.5的光照强度。这项研究表明了一种创新方法，就是采用柔性基板，培育成束的二氧化钛纳米棒，用于柔性设备，进行能量收集和储存。