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高电导奈米材料助力,太阳能转换效率最高提升66%

半导体产业已主宰全球产业经济许久,电子设备、太阳能板等技术都是依靠半导体的导电率变化来运作,若可再度提升性能,相信这都是众所乐见的事情。而香港理工大学先前成功在此有所进展,结合高电导奈米材料与半导体二氧化钛(TiO2)奈米纤维,不仅使太阳能转换效率提高40-66%,还可助电池...  

半导体产业已主宰全球产业经济许久,电子设备、太阳能板等技术都是依靠半导体的导电率变化来运作,若可再度提升性能,相信这都是众所乐见的事情。而香港理工大学先前成功在此有所进展,结合高电导奈米材料与半导体二氧化钛(TiO2)奈米纤维,不仅使太阳能转换效率提高40-66%,还可助电池与空气净化等研究一臂之力。

太阳能电池结构基本上由 P 型与 N 型半导体接合而成,这种结构称为 PN 接面。当半导体吸收阳光时,PN 接面会产生电子电洞对(electron-hole pair),在内建电场的作用下,受到刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动,进而产生电流与电压,只不过电子和电洞容易复合,会造成电流与性能双双下滑。

因此为解决太阳能发展受掣肘的状况,理大研发出一种复合奈米纤维,透过静电纺丝技术(electrospinning),将石墨烯或奈米碳管等电导性较高的材料结合半导体二氧化钛奈米纤维,为电子传输系统打造一条“高速公路”,可提升电子移动速度,并减少电子与电洞复合的问题。

该团队也有在太阳能电池与光催化剂实际测试新材料性能,理大机械工程系梁焕方(Wallace Leung)教授旗下团队将石墨烯或奈米碳管材料分别放入染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池中的二氧化钛奈米纤维,进一步提高 40-66% 光电转换效率。

新材料也不会让太阳能成本大幅攀升,团队指出,一般市面上多层硅晶太阳能每度电约 0.25 美元,若在染料敏化太阳能电池的二氧化钛奈米纤维添入奈米碳管,每度电成本提高会 12-32%,假如在钙钛矿太阳能电池中加入石墨烯,成本则会下降 28-40%。

该方式不仅适用于太阳能系统,也可以提升净化与消毒设备的效率。其中二氧化钛为空气净化与消毒设备中常见的光催化剂材料,但二氧化钛只会对紫外线起反应,不仅让室内设备实用性大打折扣,二氧化钛也无法有效把一氧化氮转换成二氧化氮,转换效率普遍低于 5% 以下。

因此团队将石墨烯嵌入光催化剂中,让电子能快速移动并产生大量阴离子,进而氧化以吸收污染物、细菌与病毒。且新型结构除了能大幅增加吸光与脏污附着表面,也可以提升二氧化钛的光波长吸收范围,并可将 70% 一氧化氮转化成二氧化氮,效率可说是以往二氧化钛奈米粒子的 7 倍。

团队认为新型奈米复合材料潜在应用相当广泛,也可以用于新型锂离子电池、光电解水制氢与提高生化感测器的感应速度,未来发展前程或许在各个领域都无可限量。

  • A new semiconductor nanofibre could greatly increase the effectiveness of solar cells
  • PolyU develops Novel Semiconductor Nanofiber with Superb Charge Conductivity

(首图来源:Pixabay。文/DaisyChuang)

今天刊登了《高电导奈米材料助力,太阳能转换效率最高提升66%》一文


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