這種幾何結(jié)構(gòu)有效地把每一根單獨(dú)的納米線變成一個(gè)光伏電池，大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能，

太陽能光伏電池代表最好的技術(shù)之一，可以提供絕對干凈，幾乎取之不盡用之不竭的能量來源，以驅(qū)動(dòng)我們的文明。然而，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想，太陽能電池的制備就需要用廉價(jià)的材料，使用成本低、能源密集度較低的工藝化學(xué)，而且它們需要有效地、低成本地把太陽光轉(zhuǎn)換成電能。美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員，現(xiàn)在已經(jīng)展示了這三種必需品中的兩種，第三種也有了一個(gè)良好的開端。

示意圖表明如何制備核/殼納米線太陽能電池，開始時(shí)要用左邊的硫化鎘（CdS）納米線（綠色），把它浸入氯化亞銅（CuCl），陽離子交換反應(yīng)創(chuàng)造出硫化亞銅（Cu2S）外殼涂層（棕色）。金屬接觸點(diǎn)隨后沉積在硫化鎘核心和硫化亞銅殼上。 來源：勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

楊培東（Peidong Yang）是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的化學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)基于溶液的技術(shù)，用于制備核/殼納米線太陽能電池（core/shell nanowire solar cells），這要用半導(dǎo)體硫化鎘（cadmium sulfide）作為核，用硫化銅（copper sulfide）作殼。這些價(jià)格低廉、易于制備的納米線太陽能電池有開路電壓（open-circuit voltage）和填充因子值（fill factor values），優(yōu)于傳統(tǒng)的平面太陽能電池?？傊_路電壓和填充因子決定了太陽能電池能所能產(chǎn)生的最大能量。此外，這種新的納米線也表現(xiàn)出5.4％的能量轉(zhuǎn)換效率，這相當(dāng)于平面太陽能電池。

“這是基于溶液的陽離子交換化學(xué)技術(shù)，第一次用于生產(chǎn)高質(zhì)量單晶硫化鎘/硫化銅核/殼納米線，”楊培東說。“我們的成就，加上增強(qiáng)的光吸收，就是我們以前展示的，要在納米線陣列中采用陷光器，這都表明，核/殼納米線是真正有希望的未來太陽能電池技術(shù)。”

楊培東在加州大學(xué)（UC）伯克利分校兼任教職，是一篇論文的通訊作者，論文報(bào)道了這項(xiàng)研究，發(fā)表在《自然•納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上。論文的標(biāo)題是《溶液處理的核殼納米線用于高效光伏電池》（Solution-processed core–shell nanowires for efficient photovoltaic cells）。與楊培東共同創(chuàng)作這篇論文的，有唐錦耀（Jinyao Tang），霍紫陽（Ziyang Huo），莎拉•布里特門（Sarah Brittman）和高漢威（Hanwei Gao）。

今天，典型太陽能電池的制備是采用超純單晶硅片，需要約100微米的厚度，這種非常昂貴的材料可以吸收足夠的太陽光。此外，高水平晶體純化是需要的，這就使制造哪怕是最簡單的硅基平面太陽能電池，都變成一個(gè)復(fù)雜、耗能和昂貴的過程。

一種非常有前途的替代選擇可能會是半導(dǎo)體納米線，這是一種一維線狀材料，其寬度測值只有人頭發(fā)的千分之一，但其長度拉伸可達(dá)到毫米尺寸。納米線制成的太陽能電池具有很多優(yōu)勢，勝過傳統(tǒng)的平面太陽能電池，這些優(yōu)勢包括更好的電荷分離和收集功能，再加上它們的制備可以采用地球上豐富的材料，而不是高度加工的硅。然而，迄今為止，納米線為基礎(chǔ)的太陽能電池效率較低，這方面的影響淹沒了它們的益處。

“在過去，納米線太陽能電池顯示的填充因子和開路電壓，遠(yuǎn)不如它的平面競爭對手，”楊培東說。“這種性能不佳的原因，可能包括表面復(fù)合及p-n結(jié)質(zhì)量控制較差，在采用高溫?fù)诫s工藝時(shí)就是這樣。”

這幅掃描電子顯微鏡圖像顯示，三個(gè)太陽能電池在一根單一納米線上形成系列，核殼區(qū)域的標(biāo)志用棕色線。來源：勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

所有太陽能電池的核心，都是兩個(gè)單獨(dú)的層狀材料，一層具有豐富的電子，功能上作為負(fù)極，另一層具有豐富的電子空穴（帶正電荷的能量空間），功能上作為正極。當(dāng)來自太陽的光子被吸收時(shí)，它們的能量就被用于創(chuàng)造電子-空穴配對，這些配對隨后的分離是在p-n連接處，也就是在兩層之間的交界處，而且會作為電力被聚集。

大約一年前，因采用硅，楊培東和他的研究小組成員開發(fā)出一種相對廉價(jià)的方法，可以取代傳統(tǒng)太陽能電池的平面p-n結(jié)，采用徑向p-n結(jié)，這樣，n型硅層形成一個(gè)外殼，圍繞p型硅納米線核心。這種幾何結(jié)構(gòu)有效地把每一根單獨(dú)的納米線變成一個(gè)光伏電池，大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能。

現(xiàn)在，他們已經(jīng)把這一策略用于制造核/殼納米線，就是采用硫化鎘和硫化銅的那種，但這次使用的是溶液化學(xué)方法。這些核/殼納米線的制備使用的是一種以溶液為基礎(chǔ)的陽離子（負(fù)離子）交換反應(yīng)，這種反應(yīng)最初的開發(fā)者是化學(xué)家保羅•埃爾維賽特斯（Paul Alivisatos）和他的研究小組，他們是為了制備量子點(diǎn)和納米棒。埃爾維賽特斯是伯克利實(shí)驗(yàn)室主任，加州大學(xué)伯克利分校的納米技術(shù)拉里和迪安納•博克教授（Larry and Diane Bock Professor）。

“最初，硫化鎘納米線的合成采用物理氣相傳輸（physical vapor transport），就是使用蒸汽-液體-固體（VLS）的機(jī)制，而不是濕法化學(xué)（wet chemistry），這給我們帶來更好的優(yōu)質(zhì)材料和更大的物理長度，但可以肯定，它們也可以使用溶液工藝，”楊培東說。“這樣培育的單晶硫化鎘納米線，直徑介于100到400納米之間，長度可達(dá)50毫米。”

硫化鎘納米線隨后浸入氯化銅溶液，在50攝氏度的溫度，保持5到10秒。陽離子交換反應(yīng)就會把表層硫化鎘轉(zhuǎn)化成硫化銅殼。

“這種基于溶液的陽離子交換反應(yīng)，為我們提供了一種簡單、低成本的方法，可以制備高質(zhì)量的異質(zhì)外延納米材料，”楊培東說。“此外，它避開了典型汽相生產(chǎn)方法中困難的高溫?fù)诫s和沉積，表現(xiàn)出低得多的制造成本和更好的可再生性。我們真正需要的是燒杯和燒瓶，可用于這種以溶液為基礎(chǔ)的工藝。沒有很高的制造成本，這些成本涉及到氣相外延化學(xué)氣相沉積（gas-phase epitaxial chemical vapor deposition），分子束外延（molecular beam epitaxy），這是今天最常用的技術(shù)，用來制造半導(dǎo)體納米線。“

楊培東和他的同事相信，他們可以提高太陽能電池納米線的能量轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)榭梢栽黾恿蚧~殼材料的份量。他們的技術(shù)要在商業(yè)上可行，就需要達(dá)到至少10％的能量轉(zhuǎn)換效率。