高電導奈米材料助力，太陽能轉換效率最高提升 66%
2018-11-09
半導體產業已主宰全球產業經濟許久，電子設備、太陽能板等技術都是依靠半導體的導電率變化來運作，若可再度提升性能，相信是眾所樂見的事。香港理工大學先前成功有所進展，結合高電導奈米材料與半導體二氧化鈦（TiO2）奈米纖維，不僅使太陽能轉換效率提高 40%~66%，還可助電池與空氣淨化等研究一臂之力。
太陽能電池結構基本上由 P 型與 N 型半導體接合而成，這種結構稱為 PN 接面。當半導體吸收陽光時，PN 接面會產生電子電洞對（electron-hole pair），在內建電場的作用下，受刺激的電子和失去電子的電洞會朝相反方向移動，進而產生電流與電壓，只不過電子和電洞容易復合，會造成電流與性能雙雙下滑。
因此為解決太陽能發展受掣肘的狀況，理大研發出一種複合奈米纖維，透過靜電紡絲技術（electrospinning），將石墨烯或奈米碳管等電導性較高的材料結合半導體二氧化鈦奈米纖維，為電子傳輸系統打造一條「高速公路」，可提升電子移動速度，並減少電子與電洞復合的問題。
團隊也有在太陽能電池與光催化劑實際測試新材料性能，理大機械工程系梁煥方（Wallace Leung）教授旗下團隊將石墨烯或奈米碳管材料分別放入染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池中的二氧化鈦奈米纖維，進一步提高 40%~66% 光電轉換效率。
新材料也不會讓太陽能成本大幅攀升，團隊指出，一般市面多層矽晶太陽能每度電約 0.25 美元，若在染料敏化太陽能電池的二氧化鈦奈米纖維添入奈米碳管，每度電成本提高會 12%~32%，假如在鈣鈦礦太陽能電池中加入石墨烯，成本則會下降 28%~40%。
該方式不僅適用於太陽能系統，也可以提升淨化與消毒設備的效率。其中二氧化鈦為空氣淨化與消毒設備中常見的光催化劑材料，但二氧化鈦只會對紫外線起反應，不僅讓室內設備實用性大打折扣，二氧化鈦也無法有效把一氧化氮轉換成二氧化氮，轉換效率普遍低於 5% 以下。
因此團隊將石墨烯嵌入光催化劑，讓電子能快速移動並產生大量陰離子，進而氧化以吸收污染物、細菌與病毒。且新型結構除了能大幅增加吸光與髒污附著表面，也可以提升二氧化鈦的光波長吸收範圍，並可將 70% 一氧化氮轉化成二氧化氮，效率可說是以往二氧化鈦奈米粒子的 7 倍。
團隊認為新型奈米複合材料潛在應用相當廣泛，也可以用於新型鋰離子電池、光電解水製氫與提高生化感測器的感應速度，未來發展前程或許在各個領域都無可限量。
A new semiconductor nanofibre could greatly increase the effectiveness of solar cells
PolyU develops Novel Semiconductor Nanofiber with Superb Charge Conductivity
（本文由 EnergyTrend 授權轉載；首圖來源：pixabay）
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