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廉价制备优质纳米线太阳能电池

   2011-09-08 32411
核心提示:这种几何结构有效地把每一根单独的纳米线变成一个光伏电池,大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能,太阳能光伏电池代表最好的技术之一,可

这种几何结构有效地把每一根单独的纳米线变成一个光伏电池,大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能,

太阳能光伏电池代表最好的技术之一,可以提供绝对干净,几乎取之不尽用之不竭的能量来源,以驱动我们的文明。然而,要实现这个梦想,太阳能电池的制备就需要用廉价的材料,使用成本低、能源密集度较低的工艺化学,而且它们需要有效地、低成本地把太阳光转换成电能。美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员,现在已经展示了这三种必需品中的两种,第三种也有了一个良好的开端。


示意图表明如何制备核/壳纳米线太阳能电池,开始时要用左边的硫化镉(CdS)纳米线(绿色),把它浸入氯化亚铜(CuCl),阳离子交换反应创造出硫化亚铜(Cu2S)外壳涂层(棕色)。金属接触点随后沉积在硫化镉核心和硫化亚铜壳上。
来源:劳伦斯伯克利国家实验室

杨培东(Peidong Yang)是伯克利实验室材料科学部的化学家,领导开发基于溶液的技术,用于制备核/壳纳米线太阳能电池(core/shell nanowire solar cells),这要用半导体硫化镉(cadmium sulfide)作为核,用硫化铜(copper sulfide)作壳。这些价格低廉、易于制备的纳米线太阳能电池有开路电压(open-circuit voltage)和填充因子值(fill factor values),优于传统的平面太阳能电池。总之,开路电压和填充因子决定了太阳能电池能所能产生的最大能量。此外,这种新的纳米线也表现出5.4%的能量转换效率,这相当于平面太阳能电池。

“这是基于溶液的阳离子交换化学技术,第一次用于生产高质量单晶硫化镉/硫化铜核/壳纳米线,”杨培东说。“我们的成就,加上增强的光吸收,就是我们以前展示的,要在纳米线阵列中采用陷光器,这都表明,核/壳纳米线是真正有希望的未来太阳能电池技术。”

杨培东在加州大学(UC)伯克利分校兼任教职,是一篇论文的通讯作者,论文报道了这项研究,发表在《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。论文的标题是《溶液处理的核壳纳米线用于高效光伏电池》(Solution-processed core–shell nanowires for efficient photovoltaic cells)。与杨培东共同创作这篇论文的,有唐锦耀(Jinyao Tang),霍紫阳(Ziyang Huo),莎拉•布里特门(Sarah Brittman)和高汉威(Hanwei Gao)。

今天,典型太阳能电池的制备是采用超纯单晶硅片,需要约100微米的厚度,这种非常昂贵的材料可以吸收足够的太阳光。此外,高水平晶体纯化是需要的,这就使制造哪怕是最简单的硅基平面太阳能电池,都变成一个复杂、耗能和昂贵的过程。

一种非常有前途的替代选择可能会是半导体纳米线,这是一种一维线状材料,其宽度测值只有人头发的千分之一,但其长度拉伸可达到毫米尺寸。纳米线制成的太阳能电池具有很多优势,胜过传统的平面太阳能电池,这些优势包括更好的电荷分离和收集功能,再加上它们的制备可以采用地球上丰富的材料,而不是高度加工的硅。然而,迄今为止,纳米线为基础的太阳能电池效率较低,这方面的影响淹没了它们的益处。

“在过去,纳米线太阳能电池显示的填充因子和开路电压,远不如它的平面竞争对手,”杨培东说。“这种性能不佳的原因,可能包括表面复合及p-n结质量控制较差,在采用高温掺杂工艺时就是这样。”

这幅扫描电子显微镜图像显示,三个太阳能电池在一根单一纳米线上形成系列,核壳区域的标志用棕色线。来源:劳伦斯伯克利国家实验室

所有太阳能电池的核心,都是两个单独的层状材料,一层具有丰富的电子,功能上作为负极,另一层具有丰富的电子空穴(带正电荷的能量空间),功能上作为正极。当来自太阳的光子被吸收时,它们的能量就被用于创造电子-空穴配对,这些配对随后的分离是在p-n连接处,也就是在两层之间的交界处,而且会作为电力被聚集。

大约一年前,因采用硅,杨培东和他的研究小组成员开发出一种相对廉价的方法,可以取代传统太阳能电池的平面p-n结,采用径向p-n结,这样,n型硅层形成一个外壳,围绕p型硅纳米线核心。这种几何结构有效地把每一根单独的纳米线变成一个光伏电池,大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能。

现在,他们已经把这一策略用于制造核/壳纳米线,就是采用硫化镉和硫化铜的那种,但这次使用的是溶液化学方法。这些核/壳纳米线的制备使用的是一种以溶液为基础的阳离子(负离子)交换反应,这种反应最初的开发者是化学家保罗•埃尔维赛特斯(Paul Alivisatos)和他的研究小组,他们是为了制备量子点和纳米棒。埃尔维赛特斯是伯克利实验室主任,加州大学伯克利分校的纳米技术拉里和迪安纳•博克教授(Larry and Diane Bock Professor)。

“最初,硫化镉纳米线的合成采用物理气相传输(physical vapor transport),就是使用蒸汽-液体-固体(VLS)的机制,而不是湿法化学(wet chemistry),这给我们带来更好的优质材料和更大的物理长度,但可以肯定,它们也可以使用溶液工艺,”杨培东说。“这样培育的单晶硫化镉纳米线,直径介于100到400纳米之间,长度可达50毫米。”

硫化镉纳米线随后浸入氯化铜溶液,在50摄氏度的温度,保持5到10秒。阳离子交换反应就会把表层硫化镉转化成硫化铜壳。

“这种基于溶液的阳离子交换反应,为我们提供了一种简单、低成本的方法,可以制备高质量的异质外延纳米材料,”杨培东说。“此外,它避开了典型汽相生产方法中困难的高温掺杂和沉积,表现出低得多的制造成本和更好的可再生性。我们真正需要的是烧杯和烧瓶,可用于这种以溶液为基础的工艺。没有很高的制造成本,这些成本涉及到气相外延化学气相沉积(gas-phase epitaxial chemical vapor deposition),分子束外延(molecular beam epitaxy),这是今天最常用的技术,用来制造半导体纳米线。“

杨培东和他的同事相信,他们可以提高太阳能电池纳米线的能量转换效率,因为可以增加硫化铜壳材料的份量。他们的技术要在商业上可行,就需要达到至少10%的能量转换效率。

 
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