太陽(yáng)能電池有望成為人類絕對(duì)清潔且取之不盡用之不竭的能源，然而，要想做到這一點(diǎn)，需要滿足三個(gè)條件：便宜的制造元件；廉價(jià)且能耗低的制造方法；高轉(zhuǎn)化效率。據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，現(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)家研制出了一種廉價(jià)制造高質(zhì)量的納米線太陽(yáng)能電池的新技術(shù)，相關(guān)研究發(fā)表于《自然•納米技術(shù)》雜志上。
能源部下屬的勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部的楊培東（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次利用以溶液為基礎(chǔ)的陽(yáng)離子交換化學(xué)技術(shù)，制造出了高質(zhì)量的以半導(dǎo)體硫化鎘為核、硫化銅為殼的核/殼納米線太陽(yáng)能電池。這種廉價(jià)且易制造的電池的開(kāi)路電壓和填充值（這兩者共同決定太陽(yáng)能電池能產(chǎn)生的最大能量）都高于傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能電池，而且其能源轉(zhuǎn)化效率為5.4%，可與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相媲美。
傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池制造太復(fù)雜
現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池一般由超純凈的單晶硅圓制成，同時(shí)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(yáng)光，這就使制造硅基平板太陽(yáng)能電池變成復(fù)雜、能耗大且昂貴的過(guò)程。
因此，科學(xué)家希望使用半導(dǎo)體納米線（其寬度僅為人頭發(fā)絲的千分之一，但長(zhǎng)度可延伸至毫米級(jí)）替代硅晶圓來(lái)制造太陽(yáng)能電池。與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，納米線太陽(yáng)能電池?fù)碛袔状髢?yōu)勢(shì)：分離、聚集電荷的能力更強(qiáng)；其可由儲(chǔ)量豐富的材料而非需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的硅制成。然而，迄今為止，納米線太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率較低，讓其優(yōu)勢(shì)相形見(jiàn)絀，限制了其發(fā)展。
所有太陽(yáng)能電池的核心是兩層獨(dú)立的材料：有豐富電子的一層充當(dāng)負(fù)極；有豐富電子空穴的一層充當(dāng)正極。當(dāng)它們吸收太陽(yáng)中的光子后，用光子的能量來(lái)制造電子—空穴對(duì)，隨后，這些電子—空穴對(duì)會(huì)在P—N結(jié)（正負(fù)極之間的接口）分開(kāi)，能量作為電力被收集起來(lái)。
一年前，楊培東團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種非常廉價(jià)的方法，使用硅，用一個(gè)球形P—N結(jié)取代了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的平面P—N結(jié)。在球形P—N結(jié)內(nèi)，以P型硅納米線為核，N型硅層在其周圍形成了一個(gè)外殼。這種幾何形狀有效地將單個(gè)納米線變?yōu)橐粋€(gè)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(jià)廉質(zhì)高
現(xiàn)在，他們采用這種方法，通過(guò)以溶液為基礎(chǔ)的陽(yáng)離子交換反應(yīng)（由該實(shí)驗(yàn)室主任保羅•阿利維撒托斯研發(fā)，主要用于制造量子點(diǎn)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(xué)家們以前使用物理氣相傳輸法來(lái)合成硫化鎘納米線，然而，我們這次使用的濕法化學(xué)方法能讓我們獲得品質(zhì)更高、長(zhǎng)度更長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)50毫米。”
科學(xué)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(yáng)離子交換反應(yīng)將最外層的硫化鎘轉(zhuǎn)化為一個(gè)硫化銅的外殼。
楊培東表示：“以前納米線太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和填充值遠(yuǎn)低于平板太陽(yáng)能電池，造成其性能有欠缺的原因包括，進(jìn)行高溫?fù)诫s處理時(shí)P—N結(jié)的表面復(fù)合問(wèn)題以及很難對(duì)P—N結(jié)的質(zhì)量進(jìn)行控制。新方法為我們提供了一種簡(jiǎn)單廉價(jià)制造高質(zhì)量納米材料的方法。它也規(guī)避了氣相制造過(guò)程所需的高溫?fù)诫s和沉積過(guò)程，使制造成本更低且再生性更好。”
科學(xué)家們認(rèn)為，他們可通過(guò)增加硫化銅外殼材料的數(shù)量來(lái)改進(jìn)這種太陽(yáng)能電池納米線的能源轉(zhuǎn)化效率，如果想對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，至少需要將轉(zhuǎn)化效率提高到10%。