Public Release: 

大研發高速傳導性能的嶄新半導體納米纖維

The Hong Kong Polytechnic University

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IMAGE: A research team led by Prof. Wallace Leung develops novel semiconductor nanotubes with superb charge conductivity which can be widely used in different applications, especially in environmental arena. 由梁煥方教授領導的研究團隊研發的嶄新半導體納米纖維具高速傳導性能,應用於創造潔浄能源和環境,效果尤佳。 view more

Credit: The Hong Kong Polytechnic University

香港理工大學(理大)機械工程學系採用嶄新科技,將傳導性能高的納米材料植入半導體納米纖維,研發出的合成物具高速傳導性能,因而應用範圍廣泛,應用於創造潔淨能源和環境的範疇,效果尤佳。

是項發明於第四十五屆國際發明展獲頒「評判特別嘉許金獎」,發明展於今年3月29日至4月2日於瑞士日內瓦舉行。

解決議題

半導體材料可製成非常細小的納米纖維,直徑小至60納米(少於一根人類頭髮的千分之一),在今日社會廣泛應用於光子產品 (如:太陽能電池、清潔環境的光觸媒),亦有用於非光子產品 (如: 生物化學感應器、鋰電池)。半導體吸收光或能源後,會激發電子和電洞的產生,形成電流及訊息;然而,電子和電洞容易快速復合,導致流動減少,相關功能亦因而大減。這特性令半導體納米纖維的應用與發展大受制肘。

理大機械工程學系團隊研發的嶄新科技,正能解決上述問題。團隊由創新產品與科技講座教授梁煥方教授率領,採用靜電紡紗技術,將傳導性能高的納米材料(例如:石墨烯、碳納米管),植入半導體納米纖維(例如:二氧化鈦 TiO2),製成具高速傳導性能的半導體納米纖維,其仿如為電子流動築建的高速公路,大大提升電子流動速度,減少電子與電洞復合情況。

高速傳導性能的半導體納米纖維的應用與發展範疇非常眾多,梁教授的團隊先在兩大環保範疇作應用研究: 太陽能電池,以及清潔環境的光觸媒。

提升太陽能電池效率

研發最新世代的太陽能電池,包括顏料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell /DSSC)及鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cell),是發展清潔及再生能源的未來方向。然而,要更廣泛應用,仍需著力研究兩大範疇: 提升能量轉換效率,以及減低生產成本。

理大團隊以突破性科技,將碳納米管/石墨烯植入顏料敏化/鈣鈦礦太陽能電池內的二氧化鈦 (TiO2) 半導體納米纖維,證實能量轉換效率提升40-66%。在成本效益方面,如與市面普通使用的多層晶體硅太陽能電池比較,按其產生一度電的電費為US$0.25 (HK$1.94) 作推算,有植入碳納米管的顏料敏化太陽能電池的成本會高12 - 32% (HK$2.18 - 2.56);而有植入石墨烯的鈣鈦礦太陽能電池的成本則低28 - 40% (HK$1.17 - 1.40)。

由於理大研發的半導體納米纖維傳導性能甚為高速,能助大幅提升效率,相信不久將來,按此科技研研發出的太陽能電池,效率會遠勝硅太陽能電池,兼且成本亦較後者低。

提升光觸媒清潔空氣功能

二氧化鈦(TiO2)是現時市面廣泛應用於空氣淨化及消毒裝置的光觸媒物質,不過,TiO2 只受紫外光激發 (佔太陽能約6%) ,在室內環境使用效果不理想,如要更廣泛應用於不同範疇,面臨相當制肘;此外,TiO2將一氧化氮(NO) 轉化為二氧化氮(NO2)的效率亦較低,一般低於 5%。

理大團隊將石墨烯卷植入TZB(主要成分為 TiO2)合成物,產生的嶄新半導體納米纖維,能發揮高速公路功效,快速輸送電子,將已吸附的污染物氧化。此外,在嶄新的半導體納米纖維,吸光及吸附有害分子的外露面積亦大幅增加。

嶄新的半導體納米纖維可將90%的NO 轉化為NO2,效率比不含石墨烯者增加35%;與市面廣泛應用的優質TiO2粒子比較,轉化效率更優勝10倍,而成本則低10倍。

應用範疇廣泛、發展空間無限

半導體納米纖維的應用廣泛,發展空間遼闊。理大以突破性科技,研發高速傳導性能的半導體納米纖維,未來在各領域的發展潛力無可限量。

除了應用於研發效能大幅提升的太陽能電池及光觸媒外,其他具發展潛力範疇的明顯例子包括: 提高生物化學感應器的敏感度及感應速度,以及生產電阻少、儲電能力強的鋰電池。

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