纳米锗材料是便携设备搭载太阳能电池的希望？

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德国慕尼黑工业大学(TUM)和慕尼黑大学(LMU)的研究人员发现一种利用纳米结构的锗材料制造轻薄、坚固且多孔半导体层的新方法，可望用于开发便携式太阳能电池与电池电极。

这种材料非常适用于小型、轻量且软性的太阳能电池，或是改善可充电电池性能的电极。

科学家藉由在锗材料孔隙中整合适量的有机聚合物，即可量身打造出共生混合材料的电气特性。这种设计不仅能节省空间，还可打造出大型接口的表面，提升整体效能。

在多孔隙的锗纳米薄膜中填充适量的有机聚合物，使其成为混合太阳能电池。
Source：TUM

“你可以想象这种原材料的多孔结构就像蜂窝一样。在其孔壁上包含了无机的半导体锗，因而能够产生与储存电荷。由于这种蜂窝状的孔壁极薄，让电荷能够沿着较短路流动，”专攻创新材料研究的慕尼黑工业大学无机化学系主任Thomas Fassler解释。

为了将这种易碎的硬质锗材料转化为软性的多孔层，研究人员们只得另外采用一些技巧。传统上，蚀刻制程用于构造锗的表面。然而，由上而下的策略难以在原子级进行控制，因而必须采取新的步骤来解决这个问题。

Fassler与其研究团队开发出一种合成方法，能够十分精准且可重复地制造出所需的结构。这种原材料是具有9种原子排列成簇的锗。由于这些原子簇带电，如果散开的话会彼此相斥。只有在溶剂蒸发后才会集结成簇。

这只要透过加热至500℃就能轻松地实现了，或者也可以利用化学诱导的方式，例如增加氯化锗。藉由采用像氯化磷等其他氯化物，就能轻松地掺杂锗结构。这让研究人员们能以针对性的方式直接调整所取得的纳米材料特性。

为了赋予锗原子簇所需的多孔结构，慕尼黑大学的研究人员Dina Fattakhova-Rohlfing开发出一种可实现纳米结构的方法：在最初的步骤中，以微型的聚合物微珠形成3D模板。接着，在这些微珠之间填充锗簇溶液。一旦在微珠的表面形成稳定的锗网络后，即可加热去除模板。最后留下高度多孔隙的纳米薄膜。

部署的聚合物微珠直径约50～200nm，并且形成一种蛋白石结构。而出现在表面的锗支架作为负模板——形成一种反蛋白石结构，而这也是为什么纳米层像蛋白石一样闪烁微光之故。

“多孔的锗材料具有独特的光电特性，适用于许多与能源相关的应用，”与Fassler共同开发这种材料的慕尼黑大学研究人员Dina Fattakhova-Rohlfing表示。“除此之外，我们还可在孔隙中填充各种功能性的材料，从而打造出广泛的新型混合材料。”

“在结合聚合物时，多孔的锗结构适于开发新一代的稳定、轻型且软性的太阳能电池，让使用者可在行动中同时为手机、相机与笔记本电脑充电，”慕尼黑工业大学功能材料教授Peter Muller-Buschbaum表示。

目前全世界各地的制造商都在寻找重量轻且坚固的材料，以便用于打造可携式的太阳能电池。截至目前为止，大部份的研究人员们主要采用有机化合物，但这是一种相 当敏感且寿命很短的材料。而一般聚合物经过加热或照明都可能使其分解，从而导致性能退化。如今，德国研究人员开发出这种坚韧的纳米锗混合薄层，可望为便携式太阳能电池带来全新选择。

世界各地的制造商都在寻找重量轻，坚固的材料，便携式太阳能电池使用。迄今为止它们主要用于有机化合物，这是敏感的和具有相对短的寿命。热和光分解聚合物和导致性能降低。薄但强劲的锗混合层提供一个真正的选择。

编译：Susan Hong

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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