Enkeltkrystalfilm kunne fremme solceller (m/ video)

(PhysOrg.com) - Cornell-forskere har udviklet en ny metode til at skabe en mønstret enkelt-krystal tynd film af halvledermateriale, der kan føre til mere effektive solceller og batterier.

Den "hellige gral" til sådanne applikationer har været at skabe på siliciumbase, eller substrat, en film med en 3-D struktur på nanoskala, med filmens krystalgitter justeret i samme retning (epitaksialt) som i substratet. At gøre det er kulminationen på mange års forskning af Uli Wiesner, professor i materialevidenskab og teknik, til at bruge polymerkemi til at skabe selvsamlende strukturer i nanoskala.

Han og hans kolleger rapporterer om gennembruddet i 8. oktober-udgaven af ​​tidsskriftet Science. De brugte den nye metode til at skabe en film med en hævet tekstur, består af små søjler kun få nanometer på tværs. "Bare evnen til at lave en enkeltkrystal nanostruktur lover meget, " sagde Wiesner. "Vi kombinerer det med organiske polymermaterialers evne til selv at samle sig på nanoskala til forskellige strukturer, der kan skabes i det krystallinske materiale."

Wiesners forskergruppe brugte tidligere selvsamlingsteknikker til at skabe Gräetzel-solceller, som bruger et organisk farvestof klemt mellem to ledere. Arrangering af lederne i et komplekst 3D-mønster skaber mere overfladeareal til at opsamle lys og muliggør mere effektiv ladningstransport, sagde Wiesner.

Ydeevnen forbedres mest, når de ledende materialer er enkeltkrystaller, sagde Wiesner. De fleste teknikker til at skabe sådanne film producerer polykrystallinsk materiale - en samling af "korn" eller små krystaller bundet sammen tilfældigt - og korngrænser hæmmer bevægelsen af ​​elektriske ladninger, forklarede han.

Wiesners metode bruger blokcopolymerer til at skabe porøse skabeloner, hvori et nyt materiale kan flyde og krystallisere. En polymer består af organiske molekyler, der forbindes i lange kæder for at danne et fast stof. En blokcopolymer fremstilles ved at forbinde to forskellige molekyler i deres ender. Når de kædes sammen og blandes med metaloxider, man danner et nanoskalamønster af gentagne geometriske former, mens den anden fylder rummet imellem. Afbrænding af polymeren efterlader en porøs metaloxidnanostruktur, der kan fungere som skabelon.

Wiesners team skabte en skabelon med sekskantede porer på et siliciumenkeltkrystalsubstrat og afsatte film af amorft silicium eller nikkelsilicid over det. I samarbejde med Mike Thompson, lektor i materialevidenskab og teknik, de opvarmede derefter siliciumoverfladen med meget korte (nanosekund) laserimpulser. Dette smelter det nyligt aflejrede lag og de øverste få mikron (milliontedele af en meter) af siliciumsubstratet. Efter kun et par snesevis af nanosekunder omkrystalliserer det smeltede silicium med enkeltkrystalsiliciumsubstratet, der fungerer som en frøkrystal for at udløse krystallisation i det aflejrede materiale over det, hvilket får den krystal til at rette sig epitaksialt op med frøet.

Skabelonen er opløst væk, efterlader et array af sekskantede søjler omkring 30 nm på tværs. Holdet har lavet porøse nanostrukturerede film op til 100 nm tykke med andre komplekse former. I tidligere arbejde skabte Wiesner gitter af cylindre, fly, kugler og komplekse "gyroider" ved at variere sammensætningen af ​​co-polymerer.

Andre materialer kan deponeres, sagde forskerne. Målet her, de sagde, var at demonstrere dannelsen af ​​film med det samme materiale som substratet (officielt kendt som homoepitaxy) og med et andet materiale (hetereroepitaxi).

I et yderligere proof-of-concept eksperiment, forskerne viste, at den strukturerede tynde film kunne arrangeres i mikronskalamønstre, som kan være nødvendigt ved design af et elektronisk kredsløb, ved at lægge en maske over overfladen, inden der påføres laseropvarmning.

"Vi er i det væsentlige nået til den hellige gral, " sagde Wiesner. "Det er ikke kun en nanostruktureret enkeltkrystal, men det har en epitaksial relation til substratet. Der er ingen bedre kontrol."