Charles Lieber博士領導哈佛大學的一個研究小組開發了一種約300 nm厚的共軸硅納米線，可以制作用來驅動小型電路和納米機器的光伏(PV)電池。


實驗硅電池的效率已經可以達到3.5%，對于這類實驗器件來說已經足夠了。電流密度高達24 mA/cm2或更高，這比有機或大部分混合電池的電流密度都要高。功率高達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或并聯可以將電壓或電流翻倍。


納米線PV是一個三層硅同軸電纜，由正壓內核、中間阻擋薄層（電中性）和外圍負壓外殼（圖1）組成。盡管與大部分平面太陽能電池的基本結構一樣，但Lieber介紹說，這種p-i-n結構還從來沒有被用到同軸電纜上。


　 　　


“我們考慮過很多結構，包括數種納米結構的材料，”Lieber說。“首先我們研究的是如何將傳統的平面電池結構變為同軸結構來提高電荷收集能力。”由于電纜的幾層是放射性對準的，同軸結構可以縮短收集長度，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。在金屬納米團簇上成核，經過氣相/液相/固相生長出單晶結構。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內核/外殼/外殼結構。通過改變各層的厚度和摻雜可以優化器件。


納米線可以在像玻璃一樣簡單的襯底上隨機生長。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型內核的接觸。采用掩膜版和濕法腐蝕來暴露出p型內核，這樣納米電纜的末端看起來像挺機關炮。這個細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型接觸內核放在一起，形成并聯器件陣列。


　 　　“這是一個穩定性非常好，完全無機的系統，并且像其他無機PV一樣穩定，”Lieber說。“該器件已經運轉一年，且沒有退化，在10倍陽光的照明條件下也運行得非常穩定。”如果進行合適的封裝，納米光伏電池可以運行數十年，他補充說。


　 　　目前概念驗證型的器件可以驅動生物傳感器或小型邏輯門電路。現階段的主要目標是將器件效率提高到10%及更高。


　 　　當然，不能指望這一器件可以解決大規模發電的問題，它的目標是為納米系統提供功率。在納米系統中組裝納米光伏器件，可以得到集成自驅動納米尺寸器件的方案。