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碳纳米管电极。采用碳纳米管有显著的成本优势。然而，在早期的设计（左）中，碳纳米管会退化，这是因为一些化学过程（电子：电子，i3-：在液体中的离子）。现在，使用钛氧化物保护薄层，可以稳定碳纳米管（右），提高了这些电池的性能。来源：新加坡科技研究署
太阳能是最有前途的一种可再生能源，但是，传统的太阳能电池的成本高，至今一直限制着它的普及。为了提高太阳能的竞争力，科学家们转向开发染料敏化太阳能电池，这种太阳能电池使用低成本的有机染料和二氧化钛（TiO2：titanium dioxide）纳米粒子，取代昂贵的半导体和稀土元素，用以吸收阳光。新加坡科技研究署（A*STAR）材料研究与工程所的黄兆红（Zhaohong Huang）和同事，现在进一步降低了染料敏化太阳能电池的成本，他们甚至取代了铟锡氧化物（ITO：ndium tin oxide）这种标准透明电极材料，而采用碳纳米管。
典型的染料敏化太阳能电池包含一个多孔层，上面的二氧化钛纳米粒子沉浸在一种有机染料中。这种染料吸收太阳光，把这种能量转换成电能，电流进入二氧化钛纳米粒子。面向太阳一面的太阳能电池，通常覆盖透明电极，可携带电荷载体，离开二氧化钛，并导出太阳能电池。“不幸的是，铟锡氧化物电极脆弱易碎，”黄兆红说，“它们也很昂贵，可能占染料敏化太阳能电池总成本的60％。”
因此，黄兆红和他的研究小组取代铟锡氧化物电极，采用碳纳米管薄膜。碳纳米管具有导电性，而几乎是透明的，柔韧性强，这使它们成为理想的材料，可用于透明电极。唯一的缺点是，这种光生（photo-generated）电荷载体在碳纳米管中会重新结合染料中的离子，这会降低太阳能电池的能量转换效率。
为了克服这个问题，黄兆红和他的研究小组把二氧化钛薄膜放在碳纳米管薄膜和多孔层之间。他们发现，染料敏化太阳能电池采用二氧化钛薄膜，性能显著提高，胜过那些没采用的电池。然而，他们也发现，他们的新的染料敏化太阳能电池，太阳能转换效率只有1.8％，低于传统的太阳能电池，这些传统电池都使用ITO电极。这是由于较高的电阻，而且降低了碳纳米管薄膜的光学透明度，这就限制了进入电池的阳光照射量。
“我们现在正在研究不同的方法，以提高薄膜的导电性和透明度，”黄兆红说。“此外，我们计划取代底部的铂（platinum）电极，采用碳纳米管薄膜，进一步减少染料敏化太阳能电池的成本。”
如果成功的话，这些成果会极大地影响染料敏化太阳能电池的成本和稳定性。
更多信息：《染料敏化太阳能电池采用钛氧化物改进的碳纳米管透明电极》（Dye-sensitized solar cell with a titanium-oxide-modified carbon nanotube transparent electrode），发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）杂志。
本文为麻省理工《科技创业》原创文章，未经书面许可，严禁转载使用。
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