Kvantekoaksialkabel:Enhed beviser solcellepotentiale for uorganiske nanotrådarrays med høj båndgab

En rapport, udgivet i 14. marts udgave af Journal of Materials Chemistry , annoncerede den vellykkede fremstilling og test af en ny type solceller ved hjælp af en uorganisk kerne/skal nanotrådstruktur.

Arrays af core/shell nanotråde (beskrevet har "kvantekoaksialkabler") var tidligere blevet teoretiseret som en potentiel struktur, der, mens den består af kemisk mere stabile uorganiske materialer med stor båndgap, bør også være i stand til at absorbere den brede vifte af bølgelængder, der er til stede i sollys. Halvledere med høj båndmængde anses generelt ikke for effektive til selv at absorbere de fleste tilgængelige bølgelængder i solstråling. For eksempel, høj båndgap zinkoxid (ZnO) er gennemsigtigt i det synlige, men absorberende i det ultraviolette område, og er derfor meget udbredt i solcremer, men blev ikke anset for nyttig i solceller.

I rapporten et team af forskere fra Xiamen University i Kina og University of North Carolina i Charlotte beskriver succesfuldt at skabe zanoxid (ZnO) nanotråde med en zinkselenid (ZnSe) belægning for at danne en materialestruktur kendt som en type-II heterojunction, der har en signifikant lavere båndgap end et af de originale materialer. Teamet rapporterede, at arrays af de strukturerede nanotråde efterfølgende var i stand til at absorbere lys fra de synlige og nær-infrarøde bølgelængder, og vise den potentielle brug af bredbåndsmateriale til en ny form for overkommelige og holdbare solceller.

"Højt båndgabsmateriale har en tendens til at være kemisk mere stabil end de halvledere med lavere båndgab, som vi i øjeblikket har, "bemærkede teammedlem Yong Zhang, en Bissell Distinguished Professor i Institut for Elektroteknik og Computer Engineering og i Energy Production and Infrastructure Center (EPIC) ved University of North Carolina i Charlotte.

"Og disse nanotrådstrukturer kan laves ved hjælp af en meget billig teknologi, ved hjælp af en kemisk dampaflejring (CVD) teknik til at vokse arrayet, "tilføjede han." Til sammenligning solceller, der bruger silicium og galliumarsenid, kræver dyrere produktionsteknikker. "

Baseret på et koncept offentliggjort i Nano Letters i 2007 af Zhang og samarbejdspartnere Lin-Wang Wang (Lawrence Berkeley National Laboratory) og Angelo Mascarenhas (National Renewable Energy Laboratory), arrayet blev fremstillet af Zhangs nuværende samarbejdspartnere Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li og Junyong Kang ved Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications i Institut for Fysik ved Xiamen University, Kina.

Tidligere forsøg på at bruge materialer med høj båndgap brugte faktisk ikke halvlederne til at absorbere lys, men involverede i stedet belægning med organiske molekyler (farvestoffer), der opnåede fotoabsorptionen og simpelthen overførte elektroner til halvledermaterialet. I modsætning, teamets heterojunction nanotråde absorberer lyset direkte og effektivt leder en strøm gennem nano-store "koaksiale" ledninger, som adskiller ladninger ved at sætte de ophidsede elektroner i ledningernes zinkoxidkerner og "hullerne" i zinkselenidskallerne.

"Ved at lave en særlig heterojunction -arkitektur på nanoskalaen, vi laver også koaksiale nanotråde, der er gode til ledningsevne, "sagde Zhang." Selvom du har god lysabsorbering, og du opretter elektronhullepar, du skal kunne tage dem ud til kredsløbet for at få strøm, så vi skal have god ledningsevne. Disse koaksiale nanotråde ligner koaksialkablet inden for elektroteknik. Så dybest set har vi to ledende kanaler - elektronen går den ene vej i kernen og hullet den anden vej i skallen. "

Nanotråde blev skabt ved først at dyrke en række seks-sidede zinkoxidkrystal "tråde" fra en tynd film af det samme materiale ved hjælp af dampaflejring. Teknikken skabte en skov af glat-sidede nållignende zinkoxidkrystaller med ensartede diametre (40 til 80 nanometer) langs deres længde (ca. 1,4 mikrometer). En noget grovere zinkselenidskal blev derefter aflejret for at belægge alle trådene. Endelig, en indiumtinoxidfilm (ITO) blev bundet til zinkselenidbelægningen, og en indiumprobe blev forbundet til zinkoxidfilmen, oprette kontakter for enhver strøm genereret af cellen.

"Vi målte enheden og viste, at fotoresponsgrænsen var 1,6 eV, "Sagde Zhang, bemærker, at cellen således var effektiv til at absorbere lysbølgelængder fra det ultraviolette til det nær infrarøde, et område, der dækker det meste af solstrålingen, der når jordens overflade.

Selvom brugen af ​​nanotråde til at absorbere lysenergi er en vigtig innovation, måske endnu vigtigere er forskernes succes med at bruge stabile uorganiske halvledermaterialer med høj båndafstand til en billig, men effektiv solenergienhed.

"Dette er en ny mekanisme, da disse materialer tidligere ikke blev anset for direkte nyttige til solceller, "Sagde Zhang. Han understregede, at applikationerne til konceptet ikke ender der, men åbner døren for at overveje et større antal halvbåndsmaterialer med høj båndgab med meget ønskelige materialegenskaber til forskellige solenergirelaterede applikationer, såsom hydrogenproduktion ved fotoelektrokemisk vandopdeling.

"Den udvidede brug af heterostrukturer af type II nanoskala udvider også deres anvendelse til andre applikationer, såsom fotodetektorer - især IR -detektor, "bemærkede han.