美研發出納米線太陽能電池！廉價質高

2023-11-30 23:04:47

    泡泡網電源機箱頻道10月1日 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，需要滿足三個條件：便宜的製造元件；廉價且能耗低的製造方法；高轉化效率。現在，美國科學家研製出了一種廉價製造高質量的納米線太陽能電池的新技術。

    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，製造出了高質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。這種廉價且易製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產生的最大能量）都高於傳統的平板太陽能電池，而且其能源轉化效率為5.4%，可與傳統太陽能電池相媲美。

    傳統太陽能電池製造太複雜

    現有的太陽能電池一般由超純淨的單晶矽圓製成，同時要求這種非常昂貴材料的厚度約為100微米，以儘可能多地吸收太陽光，這就使製造矽基平板太陽能電池變成複雜、能耗大且昂貴的過程。

    因此，科學家希望使用半導體納米線（其寬度僅為人頭髮絲的千分之一，但長度可延伸至毫米級）替代矽晶圓來製造太陽能電池。與傳統太陽能電池相比，納米線太陽能電池擁有幾大優勢：分離、聚集電荷的能力更強；其可由儲量豐富的材料而非需要經過嚴格處理的矽製成。然而，迄今為止，納米線太陽能電池的轉化效率較低，讓其優勢相形見絀，限制了其發展。

    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後，用光子的能量來製造電子－空穴對，隨後，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，楊培東團隊研發出了一種非常廉價的方法，使用矽，用一個球形P-N結取代了傳統太陽能電池的平面P-N結。在球形P-N結內，以P型矽納米線為核，N型矽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為一個光伏電池，也大幅提升了矽基光伏薄膜的捕光能力。

    新納米線電池價廉質高

    現在，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·阿利維撒託斯研發，主要用於製造量子點和納米棒），利用硫化鎘和硫化銅製造出了核/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，我們這次使用的溼法化學方法能讓我們獲得品質更高、長度更長的納米線，新生成的單晶硫化鎘納米線的直徑介於100納米～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～10秒，隨後，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於平板太陽能電池，造成其性能有欠缺的原因包括，進行高溫摻雜處理時P-N結的表面複合問題以及很難對P-N結的質量進行控制。新方法為我們提供了一種簡單廉價製造高質量納米材料的方法。它也規避了氣相製造過程所需的高溫摻雜和沉積過程，使製造成本更低且再生性更好。」

    科學家們認為，他們可通過增加硫化銅外殼材料的數量來改進這種太陽能電池納米線的能源轉化效率，如果想對這項技術進行商業化生產，至少需要將轉化效率提高到10%。（轉自《科技日報》）■