Charles Lieber博士領(lǐng)導(dǎo)哈佛大學(xué)的一個研究小組開發(fā)了一種約300 nm厚的共軸硅納米線，可以制作用來驅(qū)動小型電路和納米機(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%，對于這類實(shí)驗(yàn)器件來說已經(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，有時候也可以觀測到1nW的情況。該小組早期的工作顯示，通過將兩個納米光伏器件串聯(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能電池的基本結(jié)構(gòu)一樣，但Lieber介紹說，這種p-i-n結(jié)構(gòu)還從來沒有被用到同軸電纜上。


　 　　


“我們考慮過很多結(jié)構(gòu)，包括數(shù)種納米結(jié)構(gòu)的材料，”Lieber說。“首先我們研究的是如何將傳統(tǒng)的平面電池結(jié)構(gòu)變?yōu)橥S結(jié)構(gòu)來提高電荷收集能力。”由于電纜的幾層是放射性對準(zhǔn)的，同軸結(jié)構(gòu)可以縮短收集長度，因而獲得更高的效率。在圓形截面中，電子和空穴必須通過最短的距離。這樣，可以采用質(zhì)量稍差的材料而不會犧牲性能。總之，該工藝允許采用塑料或其他材料 來制作PV。


制作工藝從生長p型硅納米線核開始。在金屬納米團(tuán)簇上成核，經(jīng)過氣相/液相/固相生長出單晶結(jié)構(gòu)。通過成核過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，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單的襯底上隨機(jī)生長。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暴露出p型內(nèi)核，這樣納米電纜的末端看起來像挺機(jī)關(guān)炮。這個細(xì)棒就是納米線被腐蝕的一端，可以在上面制作單個或多個接觸，獲得高效的放射式電荷收集。必須采用兩個接觸，即一端一個，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。


　 　　“這是一個穩(wěn)定性非常好，完全無機(jī)的系統(tǒng)，并且像其他無機(jī)PV一樣穩(wěn)定，”Lieber說。“該器件已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)一年，且沒有退化，在10倍陽光的照明條件下也運(yùn)行得非常穩(wěn)定。”如果進(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。


　 　　目前概念驗(yàn)證型的器件可以驅(qū)動生物傳感器或小型邏輯門電路。現(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)動納米尺寸器件的方案。