Nye legeringer nøglen til effektiv energi og belysning

Et nyligt fremskridt fra Arizona State University-forskere i udviklingen af ​​nanotråde kunne føre til mere effektive solcelleceller til at generere energi fra sollys, og til bedre lysemitterende dioder (LED'er), der kunne erstatte mindre energieffektive glødepærer.

Elektriske ingeniører Cun-Zheng Ning og Alian Pan arbejder på at forbedre kvaternære legeringshalvleder nanotrådmaterialer.

Nanotråde er titusinder af nanometer i diameter og titusinder af mikron i længden. Kvartære legeringer er lavet af halvledere med fire elementer, ofte lavet ved at legere to eller flere sammensatte halvledere.

Halvledere er det materielle grundlag for teknologier som solceller, højeffektive LED'er til belysning, og til synlige og infrarøde detektorer.

En af de mest kritiske parametre for halvledere, der bestemmer gennemførligheden for disse teknologier, er båndgabet. Båndgabet af en halvleder bestemmer, for eksempel, hvis en given bølgelængde af sollys absorberes eller efterlades uændret af halvlederen i en solcelle.

Båndgab bestemmer også, hvilken farve lys en LED udsender. For at gøre solceller mere effektive, det er nødvendigt at øge rækkevidden af ​​båndgab.

Ideelt set den højeste solcelleeffektivitet opnås ved at have en bred vifte af båndgab, der matcher hele solspektret, forklarer Ning, en professor ved School of Electrical, Computer- og energiteknik, en del af ASU's Ira A. Fulton Schools of Engineering.

I LED-belysningsapplikationer, han siger, flere tilgængelige båndgab betyder, at flere farver kan udsendes, giver mere fleksibilitet i farveteknik eller farvegengivelse af lys.

For eksempel, forskellige proportioner af rødt, grønne og blå farver ville blandes med forskellige hvide farver. Mere fleksibilitet ville gøre det muligt at justere hvid farve, så den passer til forskellige situationer, eller individuelle præferencer.

Tilsvarende Ning siger, påvisning af forskellige farver kræver halvledere med forskellige båndgab. Jo flere båndhuller, der er tilgængelige, jo mere information kan der opnås om et objekt, der skal detekteres. Dermed, alle disse belysningsapplikationer kan forbedres ved at have halvledere med en lang række båndgab.

Forskerne siger, at hindringen er, at enhver menneskeskabt eller naturligt forekommende halvleder kun har et specifikt båndgab.

En standard måde at udvide rækken af ​​båndgab på er at legere to eller flere halvledere. Ved at justere den relative andel af to halvledere i en legering, det er muligt at udvikle nye båndgab mellem de to halvledere.

Men at opnå dette kræver en tilstand kaldet gitterkonstant matching, hvilket kræver ens interatomare rum mellem to halvledere for at blive dyrket sammen.

"Det er grunden til, at vi ikke kan dyrke legeringer af vilkårlige sammensætninger for at opnå vilkårlige båndgab, " siger Ning. "Denne mangel på tilgængelige båndgab er en af ​​årsagerne til, at den nuværende solcelleeffektivitet er lav, og hvorfor vi ikke har LED-lysfarver, der kan justeres til forskellige situationer."

I de seneste forsøg på at dyrke halvleder nanotråde med "næsten" vilkårlige båndgab, forskerholdet ledet af Ning og Pan, en assisterende forskningsprofessor, har brugt en ny tilgang til at producere en ekstrem bred vifte af båndgab.

De legerede to halvledere, zinksulfid (ZnS) og cadmiumselenid (CdSe) til fremstilling af den kvaternære halvlederlegering ZnCdSSe, som producerede kontinuerligt varierende sammensætninger af elementer på et enkelt substrat (et materiale, hvorpå et kredsløb er dannet eller fremstillet).

Ning siger dette, første gang en kvaternær halvleder er blevet produceret i form af en nanotråd eller nanopartikel.

Ved at kontrollere den rumlige variation af forskellige elementer og temperaturen på et substrat (kaldet dual-gradient-metoden), holdet producerede lysemissioner, der varierede fra 350 til 720 nanometer på et enkelt substrat kun få centimeter i størrelse.

Farven spredt over underlaget kan styres i høj grad, og Ning siger, at han mener, at denne dobbeltgradientmetode kan anvendes mere generelt til at producere andre legeringshalvledere eller udvide båndgabets rækkevidde af disse legeringer.

At udforske brugen af ​​kvaternære legeringsmaterialer til at gøre fotovoltaiske celler mere effektive, hans team har udviklet et lateralt multicelledesign kombineret med en dispersiv koncentrator.

Begrebet dispersiv koncentration, eller spektral splitkoncentration, har været udforsket i årtier. Men den typiske applikation bruger en separat solcelle for hvert bølgelængdebånd.

Med de nye materialer, Ning håber at bygge en monolitisk lateral supercelle, der indeholder flere underceller parallelt, hver optimeret til et givet bølgelængdebånd. De mange underceller kan absorbere hele solspektret. Sådanne solceller vil kunne opnå ekstrem høj effektivitet med lave fremstillingsomkostninger. Holdet arbejder på både design og fremstilling af sådanne solceller.

Tilsvarende de nye nanotråde af kvartær legering med stort bølgelængdespænd kan udforskes til farvedesignede lysanvendelser.

Forskerne har vist, at farvekontrol gennem legeringssammensætningskontrol kan udvides til to rumlige dimensioner, et skridt tættere på farvedesign til generering af direkte hvidt lys eller til farveskærme.