二氧化鈦（Titania）半導(dǎo)體納米棒生長在碳纖維的表面，看起來更像是小毛刷上的刷毛，而不像太陽能電池，但這種新穎的配置有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，勝過傳統(tǒng)的平板太陽能電池。例如，這種柔性管狀形電池可以捕捉各個(gè)方向的陽光，甚至可織成服裝，制成紙張，進(jìn)行新的應(yīng)用。但在目前的開發(fā)階段，研究人員正在努力找到一種簡單，低成本的方法，以制造這種高品質(zhì)的管狀太陽能電池。
示意圖中是碳纖維上的二氧化鈦納米棒陣列，采用“溶解培育”方法制作。來源：佐治亞理工學(xué)院
佐治亞州（Georgia）亞特蘭大（Atlanta）佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的一組研究人員，最近開發(fā)出一種新方法，可以制備均勻的鈦白粉（TiO2）納米棒，是在碳纖維上制備。這種新方法具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，勝過較常用的溶膠-凝膠法（sol-gel method），凝膠法需要高溫，而且可能導(dǎo)致材料裂縫。這項(xiàng)新的研究發(fā)表在最近一期的《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American Chemical Society）上。
“這項(xiàng)研究展示了一種創(chuàng)新的方法，用于培育成束的二氧化鈦納米棒，采用柔性襯底，可用于柔性設(shè)備，進(jìn)行能量利用和儲(chǔ)存，”佐治亞理工學(xué)院研究人員說。
制備管狀太陽能電池具有挑戰(zhàn)性，這是因?yàn)樾枰鄠€(gè)步驟，其中包括把純鈦箔轉(zhuǎn)化成二氧化鈦納米棒，給碳纖維涂上納米棒，而且要均勻地把這些納米棒排列在纖維上。研究人員解釋說，有一種理想的方法，可以在碳纖維上制備二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)，這就是直接在纖維的表面進(jìn)行培育。他們這樣做，在這里采用了“溶解和培育”的方法，把鈦轉(zhuǎn)化成垂直排列的單晶二氧化鈦納米棒，這是在碳纖維上進(jìn)行的。
然后，為了進(jìn)一步提高設(shè)備的性能，研究人員用“蝕刻和培育”方法，把這些納米棒蝕刻成矩形成束陣列，這要使用鹽酸（hydrochloric acid）熱液（hydrothermal）處理。
掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope）圖像顯示，二氧化鈦納米棒陣列均勻覆蓋碳纖維。來源：佐治亞理工學(xué)院
把納米棒覆蓋的碳纖維組裝成光電陽極（photoanodes），用于管狀染料敏化太陽能電池（DSSCs：dye-sensitized solar cells），之后，研究人員實(shí)驗(yàn)測(cè)試了太陽能電池的性能。結(jié)果表明，矩形成束的納米棒結(jié)構(gòu)取得的能量轉(zhuǎn)換效率為1.28％，相比之下，非成束結(jié)構(gòu)為0.76％。研究認(rèn)為，這一差異是因?yàn)椋墒募{米棒表面積較大，從而使更多的染料分子被吸收，可誘導(dǎo)更多的電子激發(fā)。
更大的表面積，使管狀太陽能電池能夠捕捉各個(gè)方向的陽光，這使它很有吸引力，可以用于強(qiáng)烈照射的陽光下。除了制作太陽能電池之外，這種方法在碳纖維上培育二氧化鈦納米線，可以進(jìn)行擴(kuò)展，用于制造光催化劑（photocatalysts）和鋰離子電池（lithium ion batteries）。但也許最獨(dú)特的應(yīng)用是把它們編織成面料。
“在未來，我們可能會(huì)引入碳纖維或其他碳材料，用作反電極（counter electrodes），用于這種配置，”研究人員說。“在這種情況下，我們可以制造染料敏化太陽能電池，只需采用碳材料和二氧化鈦，這種電池有可能制成布料和紙張。我們還計(jì)劃做一些混合產(chǎn)品，采用這種配置獲取不同的能源。”
更多信息：《矩形成束金紅石二氧化鈦納米棒陣列生長在碳纖維上用于染料敏化太陽能電池》（Rectangular Bunched Rutile TiO2 Nanorod Arrays Grown on Carbon Fiber for Dye-Sensitized Solar Cells.）?！睹绹瘜W(xué)學(xué)會(huì)雜志》，發(fā)表于2012年2月2日。
文中說，因?yàn)橛刑厥獾墓夥鼞?yīng)用，所以，柔性基板上培育一維單晶二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)，正在引起密切的關(guān)注。在這里，他們發(fā)表的研究，是一種長方形的成束二氧化鈦納米棒陣列，是在碳纖維上用鈦培育，采用了“溶解和培育”方法。用強(qiáng)酸性溶液腐蝕加工后，每一根納米棒都被蝕刻成大量的小納米線。管狀染料敏化太陽能電池的制備，要使用蝕刻過的二氧化鈦納米棒，涂在碳纖維上，用作光電陽極。絕對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率為1.28％，測(cè)試采用了100 mW cm2AM 1.5的光照強(qiáng)度。這項(xiàng)研究表明了一種創(chuàng)新方法，就是采用柔性基板，培育成束的二氧化鈦納米棒，用于柔性設(shè)備，進(jìn)行能量收集和儲(chǔ)存。
