Charles Lieber博士領(lǐng)導(dǎo)哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種約300 nm厚的共軸硅納米線，可以制作用來(lái)驅(qū)動(dòng)小型電路和納米機(jī)器的光伏(PV)電池。


實(shí)驗(yàn)硅電池的效率已經(jīng)可以達(dá)到3.5%，對(duì)于這類(lèi)實(shí)驗(yàn)器件來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。電流密度高達(dá)24 mA/cm2或更高，這比有機(jī)或大部分混合電池的電流密度都要高。功率高達(dá)200pW，有時(shí)候也可以觀測(cè)到1nW的情況。該小組早期的工作顯示，通過(guò)將兩個(gè)納米光伏器件串聯(lián)或并聯(lián)可以將電壓或電流翻倍。


納米線PV是一個(gè)三層硅同軸電纜，由正壓內(nèi)核、中間阻擋薄層（電中性）和外圍負(fù)壓外殼（圖1）組成。盡管與大部分平面太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)一樣，但Lieber介紹說(shuō)，這種p-i-n結(jié)構(gòu)還從來(lái)沒(méi)有被用到同軸電纜上。


　 　　


“我們考慮過(guò)很多結(jié)構(gòu)，包括數(shù)種納米結(jié)構(gòu)的材料，”Lieber說(shuō)?！笆紫任覀冄芯康氖侨绾螌鹘y(tǒng)的平面電池結(jié)構(gòu)變?yōu)橥S結(jié)構(gòu)來(lái)提高電荷收集能力?！庇捎陔娎|的幾層是放射性對(duì)準(zhǔn)的，同軸結(jié)構(gòu)可以縮短收集長(zhǎng)度，因而獲得更高的效率。在圓形截面中，電子和空穴必須通過(guò)最短的距離。這樣，可以采用質(zhì)量稍差的材料而不會(huì)犧牲性能?？傊摴に囋试S采用塑料或其他材料 來(lái)制作PV。


制作工藝從生長(zhǎng)p型硅納米線核開(kāi)始。在金屬納米團(tuán)簇上成核，經(jīng)過(guò)氣相/液相/固相生長(zhǎng)出單晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)成核過(guò)程中使用金屬催化劑顆粒的尺寸可以控制納米線的直徑。核生長(zhǎng)完之后，在其上順序沉積，可獲得多種中間層厚度，再制作n型外殼包封起來(lái)，這樣就得到了基本的p-i-n內(nèi)核/外殼/外殼結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變各層的厚度和摻雜可以優(yōu)化器件。


納米線可以在像玻璃一樣簡(jiǎn)單的襯底上隨機(jī)生長(zhǎng)。之后將襯底投入到乙醇中，加超聲五秒鐘，使納米線脫落到溶液中。之后將帶有納米線的溶液滴落到將要制作器件的芯片上。


　 　　利用電子束（e-beam）光刻制作n型外殼和p型內(nèi)核的接觸。采用掩膜版和濕法腐蝕來(lái)暴露出p型內(nèi)核，這樣納米電纜的末端看起來(lái)像挺機(jī)關(guān)炮。這個(gè)細(xì)棒就是納米線被腐蝕的一端，可以在上面制作單個(gè)或多個(gè)接觸，獲得高效的放射式電荷收集。必須采用兩個(gè)接觸，即一端一個(gè)，才能完成器件。也可以只腐蝕納米線單元的一端，將其p型接觸內(nèi)核放在一起，形成并聯(lián)器件陣列。


　 　　“這是一個(gè)穩(wěn)定性非常好，完全無(wú)機(jī)的系統(tǒng)，并且像其他無(wú)機(jī)PV一樣穩(wěn)定，”Lieber說(shuō)?！霸撈骷呀?jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)一年，且沒(méi)有退化，在10倍陽(yáng)光的照明條件下也運(yùn)行得非常穩(wěn)定?！比绻M(jìn)行合適的封裝，納米光伏電池可以運(yùn)行數(shù)十年，他補(bǔ)充說(shuō)。


　 　　目前概念驗(yàn)證型的器件可以驅(qū)動(dòng)生物傳感器或小型邏輯門(mén)電路?，F(xiàn)階段的主要目標(biāo)是將器件效率提高到10%及更高。


　 　　當(dāng)然，不能指望這一器件可以解決大規(guī)模發(fā)電的問(wèn)題，它的目標(biāo)是為納米系統(tǒng)提供功率。在納米系統(tǒng)中組裝納米光伏器件，可以得到集成自驅(qū)動(dòng)納米尺寸器件的方案。