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：便宜的制造元件；廉價且能耗低的制造方法；高轉化效率。據美國物理學家組織網近日報道，現在，美國科學家研制出了一種廉價制造高質量的納米線太陽能電池的新技術，相關研究發表于《自然·納米技術》雜志上。

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，制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。這種廉價且易制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）都高于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。

傳統太陽能電池制造太復雜

現有的太陽能電池一般由超純凈的單晶硅圓制成，同時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光，這就使制造硅基平板太陽能電池變成復雜、能耗大且昂貴的過程。

因此，科學家希望使用半導體納米線（其寬度僅為人頭發絲的千分之一，但長度可延伸至毫米級）替代硅晶圓來制造太陽能電池。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硅制成。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后，用光子的能量來制造電子—空穴對，隨后，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，使用硅，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型硅納米線為核，N型硅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，也大幅提升了硅基光伏薄膜的捕光能力。

新納米線電池價廉質高

現在，他們采用這種方法，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·阿利維撒托斯研發，主要用于制造量子點和納米棒），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，我們這次使用的濕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于100納米到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秒到10秒，隨后，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于平板太陽能電池，造成其性能有欠缺的原因包括，進行高溫摻雜處理時P—N結的表面復合問題以及很難對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制造高質量納米材料的方法。它也規避了氣相制造過程所需的高溫摻雜和沉積過程，使制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%。