這種幾何結構有效地把每一根單獨的納米線變成一個光伏電池，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，以驅動我們的文明。然而，要實現這個夢想，太陽能電池的制備就需要用廉價的材料，使用成本低、能源密集度較低的工藝化學，而且它們需要有效地、低成本地把太陽光轉換成電能。美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員，現在已經展示了這三種必需品中的兩種，第三種也有了一個良好的開端。

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），陽離子交換反應創造出硫化亞銅（Cu2S）外殼涂層（棕色）。金屬接觸點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驗室

楊培東（Peidong Yang）是伯克利實驗室材料科學部的化學家，領導開發基于溶液的技術，用于制備核/殼納米線太陽能電池（core/shell nanowire solar cells），這要用半導體硫化鎘（cadmium sulfide）作為核，用硫化銅（copper sulfide）作殼。這些價格低廉、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），優于傳統的平面太陽能電池。總之，開路電壓和填充因子決定了太陽能電池能所能產生的最大能量。此外，這種新的納米線也表現出5.4％的能量轉換效率，這相當于平面太陽能電池。

“這是基于溶液的陽離子交換化學技術，第一次用于生產高質量單晶硫化鎘/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。”

楊培東在加州大學（UC）伯克利分校兼任教職，是一篇論文的通訊作者，論文報道了這項研究，發表在《自然•納米技術》（Nature Nanotechnology）雜志上。論文的標題是《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，都變成一個復雜、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體納米線，這是一種一維線狀材料，其寬度測值只有人頭發的千分之一，但其長度拉伸可達到毫米尺寸。納米線制成的太陽能電池具有很多優勢，勝過傳統的平面太陽能電池，這些優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，可能包括表面復合及p-n結質量控制較差，在采用高溫摻雜工藝時就是這樣。”

這幅掃描電子顯微鏡圖像顯示，三個太陽能電池在一根單一納米線上形成系列，核殼區域的標志用棕色線。來源：勞倫斯伯克利國家實驗室

所有太陽能電池的核心，都是兩個單獨的層狀材料，一層具有豐富的電子，功能上作為負極，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。當來自太陽的光子被吸收時，它們的能量就被用于創造電子-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出一種相對廉價的方法，可以取代傳統太陽能電池的平面p-n結，采用徑向p-n結，這樣，n型硅層形成一個外殼，圍繞p型硅納米線核心。這種幾何結構有效地把每一根單獨的納米線變成一個光伏電池，大大提高了硅基光伏薄膜的陷光性能。

現在，他們已經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方法。這些核/殼納米線的制備使用的是一種以溶液為基礎的陽離子（負離子）交換反應，這種反應最初的開發者是化學家保羅•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和納米棒。埃爾維賽特斯是伯克利實驗室主任，加州大學伯克利分校的納米技術拉里和迪安納•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）的機制，而不是濕法化學（wet chemistry），這給我們帶來更好的優質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。陽離子交換反應就會把表層硫化鎘轉化成硫化銅殼。

“這種基于溶液的陽離子交換反應，為我們提供了一種簡單、低成本的方法，可以制備高質量的異質外延納米材料，”楊培東說。“此外，它避開了典型汽相生產方法中困難的高溫摻雜和沉積，表現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，用來制造半導體納米線。“

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換效率，因為可以增加硫化銅殼材料的份量。他們的技術要在商業上可行，就需要達到至少10％的能量轉換效率。