纳米技术正在为改进太阳能电池铺平道路。新的研究表明，碳纳米管薄膜可以替代太阳能电池中通常使用的两层，并以较低的成本提高性能。研究人员发现了一种令人惊讶的方法，可以为纳米管提供所需的性能：添加缺陷。
目前，这些被称为染料敏化太阳能电池的太阳能电池具有由氧化物制成的透明薄膜，该薄膜被施加到玻璃上并导电。此外，由铂制成的单独薄膜充当催化剂以加速所涉及的化学反应。
但是，这两种材料都有缺点。氧化膜不易应用于柔性材料：它们在诸如玻璃的刚性和耐热基底上表现得更好。这增加了成本并限制了可以制造的产品种类。制造铂金薄膜需要昂贵的设备。
Santa Fe研究所的Jessika Trancik，密歇根州立大学的Scott Calabrese Barton和哥伦比亚大学的James Hone决定使用碳纳米管来制造能够发挥氧化层和铂层功能的单层。他们需要它具有三个属性：透明度，电导率和催化活性。
普通的碳纳米管薄膜在这些特性中都是如此。然而，改善一个人的明显方法是牺牲其中一个。例如，使薄膜更厚使其成为更好的催化剂，但随后它变得不那么透明。
先前的理论已经表明，当材料具有微小缺陷时，材料可以更好地用作催化剂，从而提供化学品附着的位置。因此，研究人员尝试将碳纳米管暴露在臭氧中，使臭氧层变得粗糙。他们发现，非常薄的薄膜成为显着更好的催化剂，改进了十倍以上。
薄的透明纳米管薄膜催化三碘化物的还原，这是对染料敏化太阳能电池重要的反应，具有通过电化学阻抗谱测量的电荷转移电阻，其随着膜厚度的增加而降低。此外，通过将纳米管暴露于臭氧以引入缺陷，可以增强催化活性。经臭氧处理的有缺陷的纳米管薄膜可用作染料敏化太阳能电池的催化，透明导电电极。其他应用包括电池，燃料电池和电分析设备。
事实上，性能接近铂金的表现。“这非常值得，”Trancik说，“因为铂金被认为是最好的催化剂。”
为了解决透明度和电导率之间的权衡问题，研究人员在底层管上尝试了另一种技巧：他们创造了更长的碳纳米管。这改善了导电性和透明性。
碳纳米管薄膜也可用于燃料电池和电池中。
“这项研究是使用材料纳米结构的一个例子 – 在非常小的尺度上改变缺陷密度和管长度 – 改变材料特性之间的权衡，并从给定材料中获得更多性能，”Trancik说。“以先进的方式制造廉价材料对于实现低碳排放和低成本能源技术至关重要。
