太陽能電池有望成為人類絕對清潔且取之不盡用之不竭的能源，然而，要想做到這一點，要滿足三個條件：便宜的制造元件；廉價且能耗低的制造方法；高轉化效率。據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)近日報道，現(xiàn)在，美國科學家研制出了一種廉價制造高質(zhì)量的納米線太陽能電池的新技術，相關研究發(fā)表于《自然?納米技術》雜志上。

能源部下屬的勞倫斯伯克利實驗室材料科學分部的楊培東（音譯）領導的科研團隊首次利用以溶液為基礎的陽離子交換化學技術，制造出了高質(zhì)量的以半導體硫化鎘為核、硫化銅為殼的核/殼納米線太陽能電池。這種廉價且易制造的電池的開路電壓和填充值（這兩者共同決定太陽能電池能出現(xiàn)的最大能量）都高于傳統(tǒng)的平板太陽能電池，而且其能源轉化效率為5.4%，可與傳統(tǒng)太陽能電池相媲美。

傳統(tǒng)太陽能電池制造太復雜

現(xiàn)有的太陽能電池一般由超純凈的單晶硅圓制成，同時要求這種非常昂貴的材料的厚度約為100微米，以盡可能多地吸收太陽光，這就使制造硅基平板太陽能電池變成復雜、能耗大且昂貴的過程。

因此，科學家希望使用半導體納米線（其寬度僅為人頭發(fā)絲的千分之一，但長度可延伸至毫米級）替代硅晶圓來制造太陽能電池。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，納米線太陽能電池擁有幾大優(yōu)勢：分離、聚集電荷的能力更強；其可由儲量豐富的材料而非要經(jīng)過嚴格處理的硅制成。然而，迄今為止，納米線太陽能電池的轉化效率較低，讓其優(yōu)勢相形見絀，限制了其發(fā)展。

所有太陽能電池的核心是兩層獨立的材料：有豐富電子的一層充當負極；有豐富電子空穴的一層充當正極。當它們吸收太陽中的光子后，用光子的能量來制造電子—空穴對，隨后，這些電子—空穴對會在p—N結（正負極之間的接口）分開，能量作為電力被收集起來。

一年前，楊培東團隊研發(fā)出了一種非常廉價的方法，使用硅，用一個球形p—N結取代了傳統(tǒng)太陽能電池的平面p—N結。在球形p—N結內(nèi)，以p型硅納米線為核，N型硅層在其周圍形成了一個外殼。這種幾何形狀有效地將單個納米線變?yōu)橐粋€光伏電池，也大幅提升了硅基光伏薄膜的捕光能力。

新納米線電池價廉質(zhì)高

現(xiàn)在，他們采用這種方法，通過以溶液為基礎的陽離子交換反應（由該實驗室主任保羅?阿利維撒托斯研發(fā)，重要用于制造量子點和納米棒），利用硫化鎘和硫化銅制造出了核/殼納米線。

楊培東解釋道：“科學家們以前使用物理氣相傳輸法來合成硫化鎘納米線，然而，我們這次使用的濕法化學方法能讓我們獲得品質(zhì)更高、長度更長的納米線，新生成的單晶硫化鎘納米線的直徑介于100納米到400納米之間，長達50毫米。”

科學家們接著將生成的硫化鎘納米線浸入氯化銅溶液中，在50攝氏度的溫度下保留5秒到10秒，隨后，陽離子交換反應將最外層的硫化鎘轉化為一個硫化銅的外殼。

楊培東表示：“以前納米線太陽能電池的開路電壓和填充值遠低于平板太陽能電池，造成其性能有欠缺的原因包括，進行高溫摻雜處理時p—N結的表面復合問題以及很難對p—N結的質(zhì)量進行控制。新方法為我們供應了一種簡單廉價制造高質(zhì)量納米材料的方法。它也規(guī)避了氣相制造過程所需的高溫摻雜和沉積過程，使制造成本更低且再生性更好?！?/p>

科學家們認為，他們可通過新增硫化銅外殼材料的數(shù)量來改進這種太陽能電池納米線的能源轉化效率，假如想對這項技術進行商業(yè)化生產(chǎn)，至少要將轉化效率提高到10%。