美国劳伦斯伯克利国家实验室研制低成本高质量纳米线太阳能电池

美 国 劳 伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 （Lawrence Berkeley National Laboratory）宣布研制出一种低成本高质量且生产工艺简单的纳米线（nanowire）太阳能电池。该电池采用半导体硫化镉作为内核，以硫化铜作为外壳。其在开路电压以及填充系数（fill factor）方面均优于传统平板太阳能电池， 而这两者决定了太阳能电池所能产生的最大电能。该电池转换效率达 5.4%， 与平板太阳能电池相当。

研究人员表示，目前传统太阳能电池采用高纯度单晶硅晶圆制造， 厚度要求达到约 100 μm以满足光吸收量的要求。另外，晶硅在纯度上的高标准使得制造硅基平板太阳能电池成为高耗能、高成本的复杂过程。由于过去采用高温掺杂工艺进行处理时表面复合和 p-n 结（p-n junction）质量控制难度较大，因此其填充系数和开路电压低于平板太阳能电池。而该项研究首次利用以溶液为基础的阳离子交换化学工艺，制造以硫化镉为内核、硫化铜为外壳的高质量单晶纳米线。专家认为半导体纳米线最有潜力取代硅晶圆，这是一种一维条状材料，其宽度仅为头发的千分之一，而长度可达到毫米级标准。该电池具有众多优点，例如其电荷分离和聚集功能更强、无需使用深加工硅材料进行制造等。

电池核心部分由二层独立材料组成，含有丰富电子的一层为负极，而含有电子空穴的另一层为正极。在吸收太阳光子后，利用光子能量产生电子空穴对（electron-hole pair）， 该空穴对将在 pn结处分离并收集电能。研究人员在1年前曾采用一种低成本方法将球形 p-n 结替代传统太阳能电池的平面 p-n 结， 球形 p-n 结的 n 型硅层在 p型硅纳米线的内核周围形成外壳。该结构有效地将单个纳米线转变成一个光伏电池，大幅提高硅基光伏薄膜的光吸收率。现在利用同样方法采用硫化镉和硫化铜制造太阳能电池，但工艺上则使用湿化学法，利用以溶液为基础的阳离子交换反应进行制造。

过去所采用的是物理气相传输气液固法（vapor-liquid-solid,VLS）来合成硫化镉纳米线， 但利用湿化学法同样能得到具有高质量和理想长度的材料。 单晶硫化镉纳米线直径在 100～400 nm，长度为 50 mm， 将其浸入 50℃的氯化铜溶液 5～10 s， 表层硫化镉通过阳离子交换反应变为硫化铜。该方法简单易行，成本低廉，可用于制取高质量异 质 外 延 （hetero-epitaxial）纳 米 材 料 ， 避 免 了 传统气相制造方法中的高温掺杂和沉积过程。研究人员认为，通过增加硫化铜外壳材料用量可提高太阳能电池纳米线的转换效率。该电池如果要实现商业化应用， 其转换效率至少需提高至 10%。

摘译自互联网