染料敏化(dye-sensitized)的太陽能電池為再生能源提供了低成本選擇，但其效率最高達到令人沮喪的11美分。如今，賓州大學的一個計劃提議，將氧化鈦(titania，titanium oxide)奈米管陣列組合可望提供所需的效率，從而促進了電池的商用化。

「我們已經開發了非常整齊的奈米管陣列，長6.4微米。把這些薄膜整合在染料太陽能電池內將使我們從這種低成本太陽光電池技術獲得顯著的光轉換效率，可能在20%的範圍內，」賓州大學電氣工程和材料科學工程教授Craig Grimes表示。他聲稱，這種材料的「理想極限」是33%。

Grimes的透明奈米管構成了實驗染料太陽能電池的陰極，並提供電子過濾的有效技術。他透露，該小組獲得2.9%的光轉換效率，電極長度只有360奈米，他預測當奈米管長度增大時，效率可達到20%。Grimes的研究小組還計劃利用該技術進行實驗，從太陽能電池製造出氫燃料。

「這是一種用於分解水的令人訝異的材料結構──即，透過分離水使陽光產生氫，」Grimes說。「基本上，我們是指將水放在材料頂部，因此陽光可將水轉變為氫和氧。」

「利用這項技術，我們的奈米管陣列、紫外線發光已具有13.1%的光轉換效率。這意味著你從這個系統中的每一個光子獲得許多氫。如果我們能成功地將這一能帶隙轉換成可見光譜，我們還將得到商業上實用的、可伸縮的透過太陽能產生氫的方法。」

Grimes在賓州計劃合作研究的同事是電氣工程師Karthik Shankar、物理學家Gopal Mor和Oomman Varghese，以及材料科學家Maggie Paulose。

便宜的可再生能源

美國能源部(DOE)指出，目前美國發電的幾乎三分之一來自可再生資源。其中，水力發電佔61%、地熱超過20%、水和木材各佔約6.5%、地區性的廢料/垃圾煤氣約3%、生物量小於2%，太陽能只有1%。為了達到2001年獨立於外來化石燃料的策略國家目標，DOE預測美國需要發明比水力發電便宜的可再生能源。DOE估計超過30%的太陽能轉換效率，對實現更佳水力發電的每千瓦成本是關鍵因素。

如今，最昂貴的單晶矽太陽能電池可達到30%，但只有直流電。直流電必須被轉換為交流電，調適成適合電網使用。但效率會下降到17%以下，使太陽能發電成為最昂貴的可再生能源。多晶矽和無定形矽太陽能電池比單晶矽便宜許多，但它們的效率只有15%到5%。

太陽能電池主要透過從光子產生自由電子因而直接將陽光轉換為電能。光電轉換早至1839年就被Alexander Bequerel所發明。九○年代發明的染料敏化太陽能電池依賴光電轉換薄膜。但是，與矽基薄膜電池不同的是，矽基電池是由昂貴的半導體來吸收光，染料敏化電池光吸收產生於便宜的由電解液內附在氧化鈦奈米微粒上的染料分子組成的薄膜。

當染料電池吸收光子時，所引發的激勵將電子注入鈦，由鈦傳送到陰極，陽極也附在電解液內。「在染料敏化太陽能電池內，染料與氧化鈦微粒混合。當光子擊中染料時，就被吸收，產生電子空穴對──而後電子進入氧化鈦，空穴進入電解液，」Grimes說。

目前，染料敏化太陽能電池還停留在實驗室階段，主要由於沒有人可實現理論最大效率。許多研究人員研究了這一問題，因為染料敏化太陽能電池有潛力可能非常便宜地製造出來，但向陰極傳輸電子的無效率問題則嚴重限制了它們的性能。

「研究人員十多年來一直在嘗試商業化染料敏化太陽能電池的可行性。通常，這種電池需要大約10微米厚的氧化鈦微粒層，且光吸收能力很強，」Grimes說道。「但當電子產生時，要到達陰極它們得在奈米微粒之間跳躍數千次。每次跳躍時，它們都有與電解液內空穴結合的機會，限制了它們的效率。」

因此，即使是最好的染料敏化太陽能電池原型也僅具有約11%的光電轉換效率，Grimes指出。為解決此一問題，Grimes的研究小組提議用氧化鈦奈米管替代微粒。因而，當電子由光電轉換釋放時，它們可以沿氧化鈦奈米管透過彈道運輸移動到陰極。

「每個人都想破腦袋問：『要如何改進染料敏化太陽能電池？』，於是我們決定將我們2001年發明的整齊排列的奈米管陣列應用到電池上。透過使用氧化鈦奈米管而不是碳奈米管，我們認為，我們能創造材料上的奇蹟，以前每一個人都認為碳奈米管能做到，」Grimes表示。

早期的研究

2001年，Grimes的研究小組論證了在矽微電子上整合碳奈米管的可行性，透過在矽基板上調整頂部開口的碳奈米管，採用奈米多孔、經過陽極電鍍的氧化鋁板。當時，研究證實了他們能用預先定型的氧化鋁板控制奈米管陣列的直徑、長度和密度。

Grimes預測，同一方法將適於排列更加整齊的氧化鈦奈米管陣列，用於染料敏化太陽能電池。「我們研究的技術重要性在於我們能製造這種真正薄的陰極──360奈米厚──與常規染料太陽能電池相較，可大幅提升電流密度，」Grimes說。

下一步，賓州研究小組期望加長氧化鈦奈米管來增強其效率。「我們已經培育出非常整齊的碳奈米管陣列，長達6微米，當你由我們現有的氧化鈦奈米管原型推斷那麼長的奈米管時，你會得到顯著的光電效率。」奈米管還開啟了直接將水轉換為氫氧的可能性。奈米管中空的內部核心將被用於儲存自由氫原子。

該小組進行的實驗顯示，高整齊度排列的氧化鈦奈米管陣列當用紫外光照射時能製成氫。目前的任務是將該流程轉換為可見光譜，有潛力創造一種由太陽能產生氫的實用商業化方法。Grimes的研究團隊研究資金來自美國國家科技基金會、賓州氫中心和材料研究院(XXXXXXXXXXXXXXX)。

(R. Colin Johnson)