浅谈碳纳米管电极降低太阳能电池成本

碳纳米管森林可以有效替代铂（platinum）电极，用于染料敏化太阳能电池（DSC：dye-sensitized solar cells），这项新的研究是莱斯大学（Rice University）进行的。

这种单壁碳纳米管阵列的培育工艺是莱斯大学发明的，具有更大的电活性，而且比铂金更便宜，铂是常见的催化剂，用于染料敏化太阳能电池，娄军（Jun Lou）表示，他是莱斯大学的材料科学家。结合新开发的硫化电解质，他们可制成更有效率和更强大的太阳能电池，成本只有目前传统硅基太阳能电池的一小部分。

与娄军共同牵头的研究人员是材料科学与工程教授林红（Hong Lin），4月16日，他们详细介绍了他们的研究，在线发表在网上开放阅读的《自然》杂志《科学报告》（Scientific Reports）上，题为《高电催化活性的垂直排列单壁碳纳米管用于硫化物氧化还原梭子》（High Electrocatalytic Activity of Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes towards Sulfide Redox Shuttles）。

染料敏化太阳能电池很容易制造，胜过硅基固态光伏电池，但效率不高，娄军说，他是机械工程和材料科学的助理教授。“染料敏化太阳能电池的感光性来自染料，理想的有机染料就像浆果的果汁，实际上有些学生已经在演示中使用过。”

这些阵列是垂直排列的单壁碳纳米管（VASWCNTs：vertically aligned single-walled carbon nanotubes），是莱斯大学培育的，这种碳纳米管很关键，可制备更好、更便宜的染料敏化太阳能电池，替代更昂贵的硅太阳能电池。这些阵列要转移到导电玻璃上，覆盖上第二层钛氧化物（titanium oxide）电极，周围放上新开发的无碘电解质。染料吸收阳光中的光子，产生电荷，形式上就是电子，这些电子首先要捕捉到钛氧化物半导体层，这一层沉积在集电器上，然后流回相反电极，这要经过另一个集电器。进展已经取得，就是在制备染料敏化太阳能电池时，纳入碘基电解质，但碘会腐蚀金属集电器，“这就提出一个挑战，会影响长期可靠性，”娄军说。

碘电解质也有不足的方面，就是吸收的光只有可见光波长，“这意味着只可以利用较少的光子，”娄军说。

因此，研究人员决定尝试一种非腐蚀性的硫化物电解液，因为很少吸收可见光，而且可以很好地适应单壁碳纳米管沉积层，这种沉积层是莱斯大学罗伯特 豪格（Robert Hauge）实验室开发的，豪格是论文的共同作者，也是杰出化学教职研究员，就职于莱斯大学理查德 E 斯莫利纳米科学与技术研究所（Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology）。

“这些都是用途很广的材料，”娄军说。“单壁碳纳米管在莱斯大学已经有很长一段时间，人们发现，它们有许多不同使用方式。这是另一种方式，确实可以很好地匹配硫化物电解质，用于染料敏化太阳能电池技术。”

莱斯大学开发的染料敏化太阳能电池，取代铂金，采用碳纳米管、碘电解质与硫化物电解质。研究人员希望，使染料敏化太阳能电池更好更便宜

莱斯大学制成可用的太阳能电池，具有类似的结果。它们可达到5.25％的功率转换效率，低于染料敏化太阳能电池的纪录，就是11％，这要采用碘电解质和铂电极，但是，明显高于对照试验中结合采用的新电解质与传统铂反电极。娄军说，新电解质和反电极之间的电阻是“我们见过的最低的”，娄军说。

但是，还有很多工作要做。“碳纳米管和集电器之间，仍然有相当大的接触电阻，而且，从效果上看，结构上有缺陷的碳纳米管，相应的催化性能还不完全清楚，但我们相信，一旦我们完成优化，就会取得理想的效率，使整个产品很实惠，”娄军说。“真正吸引人的是，它成本非常低，可替代硅太阳能电池。”