Solar nanotråd array kan øge procentdelen af ​​solfrekvenser, der er tilgængelige til energiomdannelse

(Phys.org) - Forskere, der skaber elektricitet gennem fotovoltaik, ønsker at konvertere så mange af solens bølgelængder som muligt for at opnå maksimal effektivitet. Ellers, de spiser kun en lille del af en skødand:spilder tid og penge ved kun at bruge en lille smule af solens indgående energier.

Af denne grund, de ser indiumgalliumnitrid som et værdifuldt fremtidigt materiale til fotovoltaiske systemer. Ændring af indiumkoncentrationen gør det muligt for forskere at justere materialets reaktion, så det opsamler solenergi fra en række bølgelængder. Jo flere variationer der er designet til systemet, jo mere af solspektret kan absorberes, fører til øget solcelleeffektivitet. Silicium, nutidens fotovoltaiske industristandard, er begrænset i bølgelængdeområdet, den kan 'se' og absorbere.

Men der er et problem:Indium galliumnitrid, del af en familie af materialer kaldet III-nitrider, dyrkes typisk på tynde film af galliumnitrid. Fordi galliumnitrid atomlag har forskellige krystalgitterafstand fra indium gallium nitrid atomlag, uoverensstemmelsen fører til strukturel belastning, der begrænser både lagtykkelsen og procentdelen af ​​indium, der kan tilføjes. Dermed, øger andelen af ​​tilsat indium udvider det solspektrum, der kan opsamles, men reducerer materialets evne til at tolerere belastningen.

Sandia National Laboratories forskere Jonathan Wierer Jr. og George Wang rapporterede i tidsskriftet Nanotechnology, at hvis indiumblandingen dyrkes på en falanx af nanotråde frem for på en flad overflade, de små overfladearealer af nanotråde gør det muligt for indiumskallaget delvis at "slappe af" langs hver ledning, lette belastningen. Denne afslapning gjorde det muligt for teamet at oprette en nanotrådssolcelle med indiumprocenter på cirka 33 procent, højere end noget andet rapporteret forsøg på at skabe III-nitrid-solceller.

Dette første forsøg sænkede også absorptionsbasenergien fra 2,4 eV til 2,1 eV, den laveste af nogen III-nitrid-solceller til dato, og stillede en bredere vifte af bølgelængder til rådighed for effektkonvertering. Strømkonverteringseffektiviteten var lav-kun 0,3 procent sammenlignet med en almindelig kommerciel celle, der summer med omkring 15 procent-men demonstrationen fandt sted på uperfekte nanotråd-skabeloner. Forbedringer bør føre til højere effektivitet og endnu lavere energier.

Flere unikke teknikker blev brugt til at oprette III-nitrid nanowire array solceller. En ovenfra og ned-fremstillingsproces blev brugt til at oprette nanotrådsarrayet ved at maskere et galliumnitridlag (GaN) med en kolloid silica-maske, efterfulgt af tør og våd ætsning. Det resulterende array bestod af nanotråde med lodrette sidevægge og af ensartet højde.

Næste, skallag indeholdende den højere indiumprocent af indiumgalliumnitrid (InGaN) blev dannet på GaN -nanotrådskabelonen via metalorganisk kemisk dampaflejring. Endelig, I0.02Ga0.98N blev dyrket, på en sådan måde, der fik nanotråde til at samles. Denne proces frembragte et baldakinlag øverst, lette enkel plan behandling og gøre teknologien fremstillbar.

Resultaterne, siger Wierer, selv om det er beskedent, repræsenterer en lovende vej frem for III-nitrid solcelleforskning. Nano-arkitekturen muliggør ikke kun en højere indiumproportion i InGaN-lagene, men også øget absorption via lysspredning i det facetterede InGaN-baldakinlag, samt luftrum, der styrer lys i nanotråde.