Ned til tråden:Billig teknik til at fremstille højkvalitets nanotrådsolceller udviklet

(PhysOrg.com) -- Solceller eller fotovoltaiske celler repræsenterer en af ​​de bedst mulige teknologier til at levere en absolut ren og praktisk talt uudtømmelig energikilde til at drive vores civilisation. Imidlertid, for at denne drøm kan blive realiseret, solceller skal fremstilles af billige elementer ved hjælp af billige, mindre energikrævende behandlingskemi, og de skal effektivt og omkostningseffektivt konvertere sollys til elektricitet. Et team af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har nu demonstreret to ud af tre af disse krav med en lovende start på det tredje.

Peidong Yang, en kemiker hos Berkeley Labs Materials Sciences Division, ledet udviklingen af ​​en løsningsbaseret teknik til fremstilling af kerne/skal nanotrådsolceller ved brug af halvlederne cadmiumsulfid til kernen og kobbersulfid til skallen. Disse billige og nemme at lave nanotrådsolceller pralede af åben kredsløbsspænding og fyldfaktorværdier, der er overlegne i forhold til konventionelle plane solceller. Sammen, tomgangsspændingen og fyldningsfaktoren bestemmer den maksimale energi, som en solcelle kan producere. Ud over, de nye nanotråde viste også en energikonverteringseffektivitet på 5,4 procent, som kan sammenlignes med plane solceller.

"Dette er første gang en løsningsbaseret kationbytterkemiteknik er blevet brugt til produktion af højkvalitets enkeltkrystallinsk cadmiumsulfid/kobbersulfidkerne/skal nanotråde, " siger Yang. "Vores præstation, sammen med den øgede lysabsorption, vi tidligere har demonstreret i nanotrådsarrays gennem lysindfangning, indikerer, at kerne/skal nanotråde virkelig er lovende for fremtidens solcelleteknologi."

Yang, som har en fælles aftale med University of California (UC) Berkeley, er den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer om denne forskning, der vises i tidsskriftet Nature Nanotechnology. Papiret har titlen "Løsningsbehandlede kerne-skal nanotråde til effektive fotovoltaiske celler." Jinyao Tang var medforfatter af dette papir sammen med Yang, Ziyang Huo, Sarah Brittman og Hanwei Gao.

Typiske solceller i dag er lavet af ultrarene enkeltkrystal siliciumskiver, der kræver omkring 100 mikrometer i tykkelsen af ​​dette meget dyre materiale for at absorbere nok sollys. Desuden, det høje niveau af krystalrensning, der kræves, gør fremstillingen af ​​selv den enkleste siliciumbaserede plane solcelle kompleks, energikrævende og omkostningskrævende proces.

Et meget lovende alternativ ville være halvledernannotråde - endimensionelle strimler af materialer, hvis bredde kun måler en tusindedel af et menneskehår, men hvis længde kan strække sig op til millimeterskalaen. Solceller lavet af nanotråde giver en række fordele i forhold til konventionelle plane solceller, herunder bedre ladningsadskillelse og opsamlingsmuligheder, plus de kan være lavet af jordrige materialer i stedet for stærkt forarbejdet silicium. Til dato, imidlertid, den lavere effektivitet af nanotråd-baserede solceller har opvejet deres fordele.

"Nanowire-solceller har tidligere vist fyldningsfaktorer og åben kredsløbsspændinger, der er langt ringere end deres plane modstykker, " siger Yang. "Mulige årsager til denne dårlige ydeevne omfatter overfladerekombination og dårlig kontrol over kvaliteten af ​​p-n-forbindelserne, når der anvendes højtemperatur-dopingprocesser."

I hjertet af alle solceller er to separate lag af materiale, en med en overflod af elektroner, der fungerer som en negativ pol, og en med en overflod af elektronhuller (positivt ladede energirum), der fungerer som en positiv pol. Når fotoner fra solen absorberes, deres energi bruges til at skabe elektron-hul-par, som så adskilles i p-n krydset – grænsefladen mellem de to lag – og opsamles som elektricitet.

For omkring et år siden, arbejder med silicium, Yang og medlemmer af hans forskningsgruppe udviklede en relativt billig måde at erstatte de plane p-n-kryds på konventionelle solceller med et radialt p-n-kryds, hvor et lag af n-type silicium dannede en skal omkring en p-type silicium nanotrådskerne. Denne geometri forvandlede effektivt hver enkelt nanotråd til en fotovoltaisk celle og forbedrede i høj grad lysfangende evner af siliciumbaserede fotovoltaiske tynde film.

Nu har de anvendt denne strategi til fremstilling af kerne/skal nanotråde ved hjælp af cadmiumsulfid og kobbersulfid, men denne gang ved hjælp af opløsningskemi. Disse kerne/skal nanotråde blev fremstillet ved hjælp af en opløsningsbaseret kation (negativ ion) udvekslingsreaktion, der oprindeligt blev udviklet af kemiker Paul Alivisatos og hans forskningsgruppe til at lave kvanteprikker og nanorods. Alivisatos er nu direktør for Berkeley Lab, og UC Berkeleys Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi.

"De første cadmiumsulfid nanotråde blev syntetiseret ved fysisk damptransport ved hjælp af en damp-væske-faststof (VLS) mekanisme snarere end våd kemi, hvilket gav os materiale af bedre kvalitet og større fysisk længde, men de kan bestemt også laves ved hjælp af opløsningsprocessen," siger Yang. "De som voksede enkeltkrystallinske cadmiumsulfid nanotråde har diametre på mellem 100 og 400 nanometer og længder op til 50 millimeter."

Cadmiumsulfid nanotrådene blev derefter dyppet i en opløsning af kobberchlorid ved en temperatur på 50 grader Celsius og holdt der i 5 til 10 sekunder. Kationbytterreaktionen omdannede overfladelaget af cadmiumsulfidet til en kobbersulfidskal.

"Den løsningsbaserede kationbytterreaktion giver os en nem, lavprismetode til fremstilling af hetero-epitaksiale nanomaterialer af høj kvalitet, " siger Yang. "Yderligere, det omgår vanskelighederne ved højtemperatur-doping og -aflejring for typiske dampfaseproduktionsmetoder, hvilket tyder på meget lavere fremstillingsomkostninger og bedre reproducerbarhed. Det eneste, vi virkelig har brug for, er bægre og kolber til denne løsningsbaserede proces. Der er ingen af ​​de høje fremstillingsomkostninger forbundet med gasfase epitaksial kemisk dampaflejring og molekylær stråleepitaxi, de mest brugte teknikker i dag til fremstilling af halvleder nanotråde."

Yang og hans kolleger mener, at de kan forbedre energikonverteringseffektiviteten af ​​deres solcelle nanotråde ved at øge mængden af ​​kobbersulfid-skalmateriale. For at deres teknologi skal være kommercielt levedygtig, de skal nå en energikonverteringseffektivitet på mindst ti procent.