美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研制低成本高質(zhì)量納米線太陽能電池

美 國 勞 倫 斯 伯 克 利 國 家 實(shí) 驗(yàn) 室 （Lawrence Berkeley National Laboratory）宣布研制出一種低成本高質(zhì)量且生產(chǎn)工藝簡單的納米線（nanowire）太陽能電池。該電池采用半導(dǎo)體硫化鎘作為內(nèi)核，以硫化銅作為外殼。其在開路電壓以及填充系數(shù)（fill factor）方面均優(yōu)于傳統(tǒng)平板太陽能電池， 而這兩者決定了太陽能電池所能產(chǎn)生的最大電能。該電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 5.4%， 與平板太陽能電池相當(dāng)。

研究人員表示，目前傳統(tǒng)太陽能電池采用高純度單晶硅晶圓制造， 厚度要求達(dá)到約 100 μm以滿足光吸收量的要求。另外，晶硅在純度上的高標(biāo)準(zhǔn)使得制造硅基平板太陽能電池成為高耗能、高成本的復(fù)雜過程。由于過去采用高溫?fù)诫s工藝進(jìn)行處理時表面復(fù)合和 p-n 結(jié)（p-n junction）質(zhì)量控制難度較大，因此其填充系數(shù)和開路電壓低于平板太陽能電池。而該項(xiàng)研究首次利用以溶液為基礎(chǔ)的陽離子交換化學(xué)工藝，制造以硫化鎘為內(nèi)核、硫化銅為外殼的高質(zhì)量單晶納米線。專家認(rèn)為半導(dǎo)體納米線最有潛力取代硅晶圓，這是一種一維條狀材料，其寬度僅為頭發(fā)的千分之一，而長度可達(dá)到毫米級標(biāo)準(zhǔn)。該電池具有眾多優(yōu)點(diǎn)，例如其電荷分離和聚集功能更強(qiáng)、無需使用深加工硅材料進(jìn)行制造等。

電池核心部分由二層獨(dú)立材料組成，含有豐富電子的一層為負(fù)極，而含有電子空穴的另一層為正極。在吸收太陽光子后，利用光子能量產(chǎn)生電子空穴對（electron-hole pair）， 該空穴對將在 pn結(jié)處分離并收集電能。研究人員在1年前曾采用一種低成本方法將球形 p-n 結(jié)替代傳統(tǒng)太陽能電池的平面 p-n 結(jié)， 球形 p-n 結(jié)的 n 型硅層在 p型硅納米線的內(nèi)核周圍形成外殼。該結(jié)構(gòu)有效地將單個納米線轉(zhuǎn)變成一個光伏電池，大幅提高硅基光伏薄膜的光吸收率。現(xiàn)在利用同樣方法采用硫化鎘和硫化銅制造太陽能電池，但工藝上則使用濕化學(xué)法，利用以溶液為基礎(chǔ)的陽離子交換反應(yīng)進(jìn)行制造。

過去所采用的是物理氣相傳輸氣液固法（vapor-liquid-solid,VLS）來合成硫化鎘納米線， 但利用濕化學(xué)法同樣能得到具有高質(zhì)量和理想長度的材料。 單晶硫化鎘納米線直徑在 100～400 nm，長度為 50 mm， 將其浸入 50℃的氯化銅溶液 5～10 s， 表層硫化鎘通過陽離子交換反應(yīng)變?yōu)榱蚧~。該方法簡單易行，成本低廉，可用于制取高質(zhì)量異 質(zhì) 外 延 （hetero-epitaxial）納 米 材 料 ， 避 免 了 傳統(tǒng)氣相制造方法中的高溫?fù)诫s和沉積過程。研究人員認(rèn)為，通過增加硫化銅外殼材料用量可提高太陽能電池納米線的轉(zhuǎn)換效率。該電池如果要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用， 其轉(zhuǎn)換效率至少需提高至 10%。

摘譯自互聯(lián)網(wǎng)