纳米线技术可将太阳能电池效率翻倍

挪威 科技 大学（NTNU）研究小组开发了一种使用半导体纳米线材料制造超高效率太阳能电池的方法。如将其用于传统的硅基太阳能电池，这一方法有望以低成本将当今硅太阳能电池的效率提高一倍。该研究论文发表在美国化学学会期刊《ACS光子学》上。

新技术主要开发者、NTNU博士研究生安詹·穆克吉表示，他们的新方法以非常有效的方式，利用砷化镓材料以及纳米结构完成，因此可以仅使用常用材料的很小一部分，就提高太阳能电池的效率。

砷化镓因其非凡的光吸收和电气特性而成为制造高效太阳能电池的最佳材料，通常用于制造太空太阳能电池板。然而，高质量砷化镓太阳能电池组件的制造成本相当高。近年来人们意识到，与标准平面太阳能电池相比，纳米线结构可潜在地提高太阳能电池的效率，所用的材料也更少。

NTNU研究人员黑格·威曼称，团队找到了一种新方法，通过在纳米线结构中使用砷化镓，制造出效率比其他任何太阳能电池高10倍以上的超高功率太阳能电池。

砷化镓太阳能电池通常生长在厚且昂贵的砷化镓基板上，几乎没有降低成本的空间。新方法则在廉价的硅平台上使用垂直站立的半导体纳米线阵列结构来生长纳米线。威曼教授解释说，最具成本效益和效率的解决方案是生长双串联电池，顶部的砷化镓纳米线电池生长在底部的硅电池上，从而避免使用昂贵的砷化镓衬底。

研究人员使用分子束外延的方法来生长纳米线，通过适当的投资和工业规模的研发项目，这项技术的开发可具有直接成本效益。研究人员表示，将该产品集成在硅电池之上，可将太阳能电池效率提高到40%，与当今商用硅太阳能电池相比，这意味着效率翻了一番。利用新方法进行调整，使纳米线在不同的基板上生长，还可能为许多其他应用打开大门。

研究人员表示，他们正 探索 在石墨烯等原子级薄的二维基板上生长这种类型的轻量级纳米线结构。在自供电无人机、微型卫星和广大其他空间应用上，其都将拥有巨大潜力。

编辑/范辉

来自 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) 的研究人员已经通过实验证明了长期以来对纳米线技术的理论预测，希望能够创造出“超快”晶体管。

最近，来自 HZDR 的研究人员宣布，他们已经通过实验证明了长期以来关于张力下纳米线（NanowiresUnder Tension）的理论预测。

在本文中，我们将讨论纳米线技术和 HZDR 研究人员所做的工作。

从最基本的意义上说，纳米线是直径在纳米量级的纳米结构。虽然这似乎是一个微不足道的定义，但该技术可能会对电子产品产生重大影响。

纳米线技术的基本吸引力之一是它们表现出强大的电学特性，包括由于其有效的一维结构而产生的高电子迁移率。

这样做的结果是纳米线提供了非常低的电阻率，因此具有非常快的低功率性能。

几十年来，研究人员一直试图将纳米线技术应用于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中一种流行的应用是环栅 (GAA) FET（场效应晶体管）。

在基于纳米线的 GAA FET 中，纳米线有助于建立导电通道，而不是平面体硅。

结果是更快的晶体管也不易受短沟道效应的影响。

与碳纳米管等竞争技术相比，纳米线的一个显着优势是纳米线由常见材料制成，例如砷化镓(GaAs)，它具有标准的晶体结构和均匀的电子特性。这种更常见材料的使用为该技术提供了一定程度的可预测性和易于制造性，这对于先进的节点技术很重要。

正如Nature上的HZDR 论文所述，最近的研究表明，理论上，设计人员可以通过在材料上施加拉伸应变来进一步提高纳米线的性能。

理论是，当流体静力学拉伸应变（所有三个维度的膨胀）被施加到 GaA纳米线时，其电性能会发生调节。

例如，预计这种应变会将 GaA 的带隙从 300K 时的 1.42 eV 无应变值缩小到 0.87 eV，减少 40%。

此外，流体静力拉伸应变 GaA 的能带结构计算还可以预期电子的有效质量会显着降低，这意味着更高的电子迁移率。

从本质上讲，先前的研究已经通过实验预测，通过对纳米线施加拉伸应变，该设备的性能甚至可以比以前更好。

到目前为止，研究人员只是在数学上 探索 了这一理论，但在HZDR 团队的新论文中，该小组通过实验测试了这一理论。

在实验中，研究人员制造了由 GaA核心和砷化铟铝壳组成的纳米线。

由于研究人员为核和壳使用了不同的材料，因此纳米线在两者之间经历了不同的晶格间距。

结果是外壳在内核上施加了高拉伸应变，使研究人员能够实现他们之前理论化的电性能调制。

应变与未应变纳米线的动量散射率（顶部）和电子迁移率（底部）

然后，研究人员使用光学激光脉冲释放材料内部的电子来测量纳米线的电子迁移率，这种技术称为非接触式光谱学。

释放电子后，研究人员对纳米线施加后续的高频脉冲，导致电子振荡。然后研究人员可以根据振荡持续的时间来测量电子的迁移率；振荡时间越长，电子迁移率越高。

最后，结果表明，研究人员确实可以通过对纳米线施加拉伸应变来提高纳米线的电子迁移率。

测量到未应变纳米线和块状 GaAs 的相对迁移率增加约为 30%。研究人员认为，他们可以在具有更大晶格失配的材料中实现更显着的增加。

总而言之，研究人员希望他们的发现可以应用于未来的晶体管设计，从而显着提高设备速度和功耗。

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