哈佛研制出具有宏观电势的纳米光伏电池

Charles Lieber博士领导哈佛大学的一个研究小组开发了一种约300 nm厚的共轴硅纳米线，可以制作用来驱动小型电路和纳米机器的光伏(PV)电池。


实验硅电池的效率已经可以达到3.5%，对于这类实验器件来说已经足够了。电流密度高达24 mA/cm2或更高，这比有机或大部分混合电池的电流密度都要高。功率高达200pW，有时候也可以观测到1nW的情况。该小组早期的工作显示，通过将两个纳米光伏器件串联或并联可以将电压或电流翻倍。


纳米线PV是一个三层硅同轴电缆，由正压内核、中间阻挡薄层（电中性）和外围负压外壳（图1）组成。尽管与大部分平面太阳能电池的基本结构一样，但Lieber介绍说，这种p-i-n结构还从来没有被用到同轴电缆上。


　 　　


“我们考虑过很多结构，包括数种纳米结构的材料，”Lieber说。“首先我们研究的是如何将传统的平面电池结构变为同轴结构来提高电荷收集能力。”由于电缆的几层是放射性对准的，同轴结构可以缩短收集长度，因而获得更高的效率。在圆形截面中，电子和空穴必须通过最短的距离。这样，可以采用质量稍差的材料而不会牺牲性能。总之，该工艺允许采用塑料或其他材料 来制作PV。


制作工艺从生长p型硅纳米线核开始。在金属纳米团簇上成核，经过气相/液相/固相生长出单晶结构。通过成核过程中使用金属催化剂颗粒的尺寸可以控制纳米线的直径。核生长完之后，在其上顺序沉积，可获得多种中间层厚度，再制作n型外壳包封起来，这样就得到了基本的p-i-n内核/外壳/外壳结构。通过改变各层的厚度和掺杂可以优化器件。


纳米线可以在像玻璃一样简单的衬底上随机生长。之后将衬底投入到乙醇中，加超声五秒钟，使纳米线脱落到溶液中。之后将带有纳米线的溶液滴落到将要制作器件的芯片上。


　 　　利用电子束（e-beam）光刻制作n型外壳和p型内核的接触。采用掩膜版和湿法腐蚀来暴露出p型内核，这样纳米电缆的末端看起来像挺机关炮。这个细棒就是纳米线被腐蚀的一端，可以在上面制作单个或多个接触，获得高效的放射式电荷收集。必须采用两个接触，即一端一个，才能完成器件。也可以只腐蚀纳米线单元的一端，将其p型接触内核放在一起，形成并联器件阵列。


　 　　“这是一个稳定性非常好，完全无机的系统，并且像其他无机PV一样稳定，”Lieber说。“该器件已经运转一年，且没有退化，在10倍阳光的照明条件下也运行得非常稳定。”如果进行合适的封装，纳米光伏电池可以运行数十年，他补充说。


　 　　目前概念验证型的器件可以驱动生物传感器或小型逻辑门电路。现阶段的主要目标是将器件效率提高到10%及更高。


　 　　当然，不能指望这一器件可以解决大规模发电的问题，它的目标是为纳米系统提供功率。在纳米系统中组装纳米光伏器件，可以得到集成自驱动纳米尺寸器件的方案。