Hybrid nanostruktur med ekstrem lysabsorbering ser lovende ud for fotovoltaik

(Phys.org) - I fotovoltaik, der generelt er en afvejning med hensyn til halvledertykkelse, med tykkere halvledere, der tilbyder bedre fotonabsorbering og tyndere, der tilbyder en højere ekstraktionseffekt af ladestationer. I de seneste år, forskere er begyndt at undersøge halvleder nanotråd solceller, som tackler denne afvejning gennem morfologi-afhængige resonanser, der forbedrer absorptionen markant i forhold til en plan film.

Nu, noget kontraintuitivt, forskere har teoretisk set fundet ud af, at tynde halvlederfilm viklet omkring metal nanotråde har væsentligt bedre lysabsorberingsegenskaber end solide halvledende nanotråde, på trods af at de bruger mindre halvledende materiale. På samme tid, metalkernen fungerer som en kontakt til effektivt at udtrække ladningsbærere. Ved at konfrontere den halvleder-tykkelses afvejning og tilbyde enestående ydeevne, nanostrukturer kan blive ideelle byggesten til billige fotovoltaiske og solbrændselsapplikationer.

Et papir om de nye enheder af Sander A. Mann og Erik C. Garnett ved Center for Nanophotonics på FOM Institute AMOLF i Amsterdam, Holland, udkommer i et kommende nummer af Nano bogstaver .

"Den største betydning for vores arbejde er, at vi leverer et design til nanotrådsbyggesten, der indeholder både fremragende lysindfangende egenskaber og en lokal metalelektrodekontakt (til nuværende ekstraktion), "Fortalte Garnett Phys.org . "Sølv-nanotrådnetværk er allerede blevet brugt som højtydende transparente elektroder, og vi forventer, at vi ved at belægge dem med tynde halvledende skaller vil kunne lave højeffektive solceller ved hjælp af billige materialer. Det er nu blevet observeret i en række papirer, der nanostrukturering af et materiale kan øge lysabsorptionen, selvom der bruges mindre halvledermateriale. dette papir tager det næste skridt og begynder at tænke over, hvordan man konstruerer sådanne strukturer med integrerede elektriske kontakter. "

En af de største fordele ved designet er, at det bruger meget tynde halvledende film, samtidig med at det giver meget god lysabsorbering. Som sagt, tykke halvlederlag er nødvendige for god lysabsorbering, men halvleder af høj kvalitet er meget dyrt. Denne nye core-shell geometri åbner en vej til at bruge billig, rigelig, og miljøvenlige halvledere, der tidligere var af for lav kvalitet til god ladning.

I halvlederobjekter, der er mindre end lysets bølgelængde, som det er tilfældet med de fleste nanotråde til fotovoltaiske formål, de optiske egenskaber bestemmes primært af resonanser. Disse resonanser forbedrer absorptionen mest, når de er kritisk koblet:tabshastighederne på grund af absorption i halvlederen og på grund af strålingslækage (lys, der slipper ud af nanotråden, før det absorberes) er ens. Dette er ofte tilfældet nær materialets båndgab, hvor absorptionen er svag, hvilket fører til det meget kontraintuitive resultat, at absorptionen i nanotråden faktisk stiger, når absorptionskoefficienten falder.

Som forskerne forklarer, i core-shell geometrien, ekstrem lysabsorbering opstår ved at øge antallet og styrken af ​​disse resonanser. Mens der i vandrette nanotråde resonanser altid er spektralt adskilte (ved forskellige bølgelængder), i core-shell geometrien kan de overlappe hinanden. Desuden, vandrette solide halvleder nanotråde er meget polarisationsfølsomme, men dette er uønsket, da lys fra solen er upolariseret. Kerne-skal-geometrien slipper af med denne polarisationsafhængighed ved at tilpasse resonanser i begge polarisationer samtidigt.

Samlet set, ved at demonstrere, at fremragende lysabsorption kan opnås i meget tynde halvlederlag, denne hybrid nanostruktur tilbyder en spændende ny vej mod realisering af billige solteknologier baseret på rigelige og miljøvenlige halvledere. Forskerne planlægger snart at fremstille prototyper af enhederne.

"Vores umiddelbare planer er at lave både single-nanowire og array solceller baseret på disse core-shell byggesten til at verificere vores beregninger eksperimentelt, "Sagde Garnett.

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.