科学画报|黑色+金色=绿色
北京联盟_本文原题：黑色+金色=绿色
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文/徐梅
很多人对二氧化钛并不陌生 ， 在防晒霜中经常可以看到它 。 防晒霜中添加的二氧化钛是白色的 ， 近年来 ， 科学家却热衷于将二氧化钛变成黑色 。 黑色纳米二氧化钛太阳能电池可将金色的阳光转化为绿色的电能 ， 为人类解决能源和环境问题提供一条有效的途径 。
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二氧化钛一般为白色粉末
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从凹面镜到太阳能电池
太阳慷慨地将光和热惠泽地球万物 ， 人类很早就开始有意识地利用太阳能来促进生产、改善生活 。 例如：中国古代建筑的房门大多朝南 ， 便于冬季驱寒取暖 。 至今很多地方还保留着六月六“晒衣节”或“晒虫节”的习俗 ， 目的是用阳光干燥衣物 ， 防霉防蛀 。 在周代 ， 古人即能用燧“取火于日” ， 也就是用凹面镜聚焦阳光生火 。
当然 ， 古人对太阳能的利用比较原始 ， 直到100多年前科学家发现了光伏效应 ， 人类对太阳能的利用才发生了飞跃 。 1954年 ， 第一个太阳能电池问世 ， 有媒体称其开启了“使无限阳光为人类文明服务的新时代” 。
随着工业文明的迅猛发展 ， 现代社会对能源的需求越来越大 ， 与此同时 ， 传统的化石燃料带来的环境污染严重威胁着人类赖以生存的地球家园 。 太阳能作为取之不尽、用之不竭的洁净能源 ， 日益受到重视 ， 世界各国纷纷投入太阳能光电材料和器件研究中 。
太阳能电池是用半导体材料制成的光电转换装置 ， 最常见的材料是硅 。 第一个太阳能电池就是单晶硅太阳能电池 。 硅（包括单晶硅、多晶硅、非晶硅）太阳能电池现在已经广泛应用于日常生活 ， 是我们最熟悉的太阳能电池 。 硅太阳能电池的光电转换效率高 ， 但是制作工艺苛刻、材料价格昂贵 ， 所以科学家一直在探索用其他材料制作太阳能电池 。
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太阳能电池简史
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从白色到黑色
1991年 ， 瑞士科学家以纳米二氧化钛为材料 ， 成功研制了世界上第一个纳米晶太阳能电池 。 此后 ， 纳米二氧化钛太阳能电池成为世界范围的研究热点 。
二氧化钛有许多优越的性能 ， 在陶瓷、食品、环境保护、日用品、化妆品、医药等领域均有广泛应用 。 二氧化钛之所以在太阳能发电领域备受青睐 ， 是因为它的光催化活性高、稳定性好、价格低廉、原料丰富 。 与硅太阳能电池相比 ， 纳米二氧化钛太阳能电池有许多明显的优点 ， 例如：成本大大降低；可以制成透明的产品；对光线的入射角度不敏感 ， 可充分利用折射光和反射光；可在柔性基底上制备 ， 扩大了应用范围；工作温度高 。
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二氧化钛广泛应用于化妆品、涂料等产品
但是 ， 作为最重要的光电半导体材料之一 ， 二氧化钛的太阳能利用也面临巨大的挑战 ， 主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低 。
二氧化钛只能吸收约占太阳光谱5%的紫外光 ， 无法利用可见光和近红外光的能量 。 它的本征电导率低 ， 不利于光生电子-空穴对的分离和传输 ， 而不能轻易分离的电子-空穴对最终会影响太阳能电池的效率 。 在这些缺点的制约之下 ， 二氧化钛在太阳能发电领域的潜力难以充分发挥 。
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