http://www.physorg.com/news/2010-11-nanopillar-collectors.html
By Lynn Yarris, November 16, 2010
在所有能源中，陽光代表最乾淨的、最「綠」的以及最豐富的，而它的潛力仍令人遺憾地未充分利用。高成本成為矽基太陽能電池大規模應用的主要障礙。奈米柱（Nanopillars） -- 稠密封裝的奈米級光激半導體陣列（optically active semiconductors） -- 已證明有潛力能提供相對便宜且可縮放之次世代太陽能電池，不過仍受限於效率問題。然而，奈米柱的故事有了新的轉折，而這些材料的未來現在看起來更加燦爛。
"藉由調整高度有序性之鍺或硫化鎘奈米柱陣列的外形與幾何形狀，我們以能大大地強化我們奈米柱的光吸收特性，" Ali Javey 表示，兼任於 Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 以及 UCB 的化學家。
Javey，任教於柏克萊實驗室材料科學部門以及 UCB 電機工程暨電腦科學系的科學家，已成為奈米柱研究的先鋒。他與他的小組首度證明了一項技術，硫化鎘奈米柱藉此能在大規模的、有彈性模組中大量製造。在這項最新研究中，他們能製造出光吸收與商業化薄膜太陽能電池一樣好或甚至更好的奈米柱，所使用的半導體材料遠少於前者，而且不需要抗反射塗層。
"為了強化我們奈米柱的寬頻光吸收效率，我們使用一種新穎的雙直徑（dual-diameter）結構，其特色是有一個具最小反射率之小直徑（60 奈米）尖端（tip）以及一個較大直徑（130 奈米）的基底（base）使光吸收能最大化（譯註：形狀有點像酒瓶或拉炮），讓更多光線能被轉換成電流，" Javey 說。 "這種雙直徑結構能吸收百分之 99 的入射可見光，相較之下，我們早先的奈米柱只有百分之 85，其直徑與新款相同，但全長一樣（即同心圓柱體）。"
理論與實驗研究證明，半導體奈米柱的 3D 陣列 -- 具明確的直徑、長度與外徑（pitch） -- 在捕捉光線上勝出，同時所用到的半導體材料不到以複合半導體（如碲化鎘）製成的薄膜太陽能電池所需之半，而且在以大量矽製成之太陽能電池中，這類材料只用了約百分之一。但直到 Javey 等人的研究成果出爐之前，製造像這樣的奈米柱是一種很繁雜的過程。
Javey 及其同僚從模子中塑造出他們的雙直徑奈米柱，這些模子是以 2.5 公釐厚的鋁箔製成。一種兩階段電鍍的程序用於具雙直徑的模子中（窄的在頂部，寬的在底部），藉此創造出一個有一微米深細孔的陣列。黃金顆粒接著被沈積在細孔中，藉此催化半導體奈米柱的生長。
"此製程能精密控制整個單晶奈米柱陣列的幾何形狀與外形，而不需使用複雜的磊晶（epitaxial）和／或微影製程，" Javey 說。"在高度只有二微米的情況下，我們的奈米柱陣列能夠吸收波長介於 300 到 900 奈米間，所有光子的百分之 99，而無需任何抗反射塗層。"
鍺奈米柱能被調整成吸收紅外線光子以用於高感度偵測器，而硫化鎘／碲化物奈米柱則適用於太陽能電池。這種製造技術具高度一般性（highly generic），Javey 表示，它除了能與眾多其他半導體材料一起使用之外，也能用於特殊應用。最近，他與他的小組證明，此奈米助陣列的交替部份（cross-sectional portion）也能夠被調整成假定的特殊形狀 -- 正方形、矩形或圓形 -- 只要更改模板的形狀即可。
"對於奈米柱的光吸收特性上，這又呈現出另一種程度的控制，" Javey 說。
Javey 的雙直徑奈米柱研究部份由 NSF 的 COINS 資助，部份則透過 Berkeley Lab LDRD 基金。
※ 相關報導：
＊ Ordered Arrays of Dual-Diameter Nanopillars for Maximized Optical Absorption
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl1010788
Zhiyong Fan, Rehan Kapadia, Paul W. Leu, Xiaobo Zhang,＊ 光電+電子元件 台灣半導體大突破
Yu-Lun Chueh, Kuniharu Takei, Kyoungsik Yu, Arash Jamshidi,
Asghar A. Rathore, Daniel J. Ruebusch, Ming Wu, and Ali Javey
Nano Lett., 2010, 10 (10), pp 3823–3827
doi: 10.1021/nl1010788
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