廉价制备优质纳米线太阳能电池

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。