Et nyt twist for nanopillar lyssamlere

Sollys repræsenterer det reneste, grønneste og langt væk mest rigelige af alle energikilder, og alligevel forbliver dets potentiale sørgeligt underudnyttet. Høje omkostninger har været en væsentlig afskrækkende virkning på de store anvendelser af siliciumbaserede solceller. Nanopillars – tætpakkede nanoskala-arrays af optisk aktive halvledere – har vist potentiale til at levere en næste generation af relativt billige og skalerbare solceller, men har været hæmmet af effektivitetsproblemer. Nanopillar-historien, imidlertid, har taget et nyt twist, og fremtiden for disse materialer ser nu lysere ud end nogensinde.

"Ved at justere formen og geometrien af ​​højt ordnede  nanopillar-arrays af germanium eller cadmiumsulfid, vi har været i stand til drastisk at forbedre de optiske absorptionsegenskaber af vores nanopillarer, siger Ali Javey, en kemiker, der har fælles aftaler med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) i Berkeley.

Javey, en fakultetsforsker med Berkeley Labs Materials Sciences Division og en UC Berkeley professor i elektroteknik og datalogi, har været på forkant med forskning i nanopillar. Han og hans gruppe var de første til at demonstrere en teknik, hvorved cadmiumsulfid nanopillarer kan masseproduceres i storskala fleksible moduler. I dette seneste værk, de var i stand til at producere nanopiller, der absorberer lys lige så godt eller endda bedre end kommercielle tyndfilmssolceller, ved brug af langt mindre halvledermateriale og uden behov for anti-reflekterende belægning.

"For at forbedre den bredbånds optiske absorptionseffektivitet af vores nanopillarer brugte vi en ny dobbelt-diameter struktur, der har en lille (60 nanometer) diameter spids med minimal reflektans for at tillade mere lys ind, og en stor (130 nanometer) diameter base for maksimal absorption for at gøre det muligt at omdanne mere lys til elektricitet, " siger Javey. "Denne struktur med dobbelt diameter absorberede 99 procent af indfaldende synligt lys, sammenlignet med 85 procents absorption af vores tidligere nanopillarer, som havde samme diameter i hele deres længde."

Teoretiske og eksperimentelle værker har vist, at 3D-arrays af halvledernanopiller – med veldefineret diameter, længde og pitch – udmærker sig ved at fange lys, mens du bruger mindre end halvdelen af ​​det halvledermateriale, der kræves til tyndfilmsolceller lavet af sammensatte halvledere, såsom cadmiumtellurid, og omkring en procent af det materiale, der bruges i solceller fremstillet af bulk silicium. Men indtil Javey og hans forskningsgruppes arbejde, fremstilling af sådanne nanopiller var en kompleks og besværlig procedure.

Javey og hans kolleger lavede deres nanopiller med dobbelt diameter af forme, de lavede i 2,5 millimeter tyk aluminiumfolie. En to-trins anodiseringsproces blev brugt til at skabe en række af en mikrometer dybe porer i formen med dobbelte diametre - smal i toppen og bred i bunden. Guldpartikler blev derefter aflejret i porerne for at katalysere væksten af ​​halvledernanopillerne.

"Denne proces muliggør fin kontrol over geometri og form af de enkeltkrystallinske nanopillar-arrays, uden brug af komplekse epitaksiale og/eller litografiske processer, " siger Javey. "I en højde på kun to mikron, vores nanopillar-arrays var i stand til at absorbere 99 procent af alle fotoner med bølgelængder mellem 300 og 900 nanometer, uden at skulle stole på anti-reflekterende belægninger."

Germanium nanopillerne kan indstilles til at absorbere infrarøde fotoner til meget følsomme detektorer, og cadmiumsulfid/tellurid nanopillerne er ideelle til solceller. Fremstillingsteknikken er så meget generisk, Javey siger, det kan også bruges med adskillige andre halvledermaterialer til specifikke applikationer. For nylig, han og hans gruppe demonstrerede, at tværsnitsdelen af ​​nanopillar-arrays også kan indstilles til at antage specifikke former - firkantede, rektangel eller cirkel – blot ved at ændre skabelonens form.

"Dette præsenterer endnu en grad af kontrol i de optiske absorptionsegenskaber af nanopiller, " siger Javey.

Javeys to-diameter nanopillar-forskning blev delvist finansieret gennem National Science Foundations Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS) og gennem Berkeley Lab LDRD-midler.