Ny atomare lag-for-lag InGaN-teknologi giver gennembrud for solcelleeffektivitet

Vidste du, at krystaller danner grundlaget for den gennemtrængende isnende blå blænding fra billygter og kan være fundamentale for fremtiden inden for solenergiteknologi?

Krystaller er kernen i dioder. Ikke den slags du måske finder i kvarts, dannet naturligt, men fremstillet til at danne legeringer, såsom indium galliumnitrid eller InGaN. Denne legering danner det lysemitterende område af LED'er, til belysning i det synlige område, og af laserdioder (LD'er) i det blå-UV-område.

Forskning i at lave bedre krystaller, med høj krystallinsk kvalitet, lysemissionseffektivitet og lysstyrke, er også kernen i studier, der udføres ved Arizona State University af forsker Alec Fischer og doktorgradskandidat Yong Wei i professor Fernando Ponces gruppe i Institut for Fysik.

I en artikel for nylig offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , ASU-gruppen, i samarbejde med et videnskabeligt hold ledet af professor Alan Doolittle ved Georgia Institute of Technology, har netop afsløret det grundlæggende aspekt af en ny tilgang til dyrkning af InGaN-krystaller til dioder, som lover at flytte fotovoltaisk solcelleteknologi i retning af rekordstor effektivitet.

InGaN-krystallerne dyrkes som lag i et sandwichlignende arrangement på safirunderlag. Typisk, forskere har fundet ud af, at atomernes adskillelse af lagene varierer; en tilstand, der kan føre til høje niveauer af belastning, nedbrud i vækst, og udsving i legeringens kemiske sammensætning.

"At være i stand til at lette belastningen og øge ensartetheden i sammensætningen af ​​InGaN er meget ønskeligt, " siger Ponce, "men svært at opnå. Vækst af disse lag svarer til at prøve at passe glat sammen to honningkager med forskellige cellestørrelser, hvor størrelsesforskellen forstyrrer et periodisk arrangement af cellerne."

Som beskrevet i deres publikation, forfatterne udviklede en tilgang, hvor impulser af molekyler blev indført for at opnå den ønskede legeringssammensætning. Metoden, udviklet af Doolittle, kaldes metalmoduleret epitaksi. "Denne teknik tillader en atomare lag-for-lag vækst af materialet, " siger Ponce.

Analyse af atomarrangementet og lysstyrken på nanoskalaniveau blev udført af Fischer, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, og Wei. Deres resultater viste, at filmene, der var dyrket med epitaksiteknikken, havde næsten ideelle egenskaber og afslørede, at de uventede resultater kom fra belastningsafslapningen ved det første atomlag af krystalvækst.

"Doolittles gruppe var i stand til at samle en endelig krystal, der er mere ensartet, og hvis gitterstrukturer matcher ... hvilket resulterede i en film, der ligner en perfekt krystal, " siger Ponce. "Lysstyrken var også som en perfekt krystal. Noget, som ingen i vores felt troede var muligt."

ASU og Georgia Tech-teamets eliminering af disse to tilsyneladende uoverstigelige defekter (uensartet sammensætning og uoverensstemmende gitterjustering) betyder i sidste ende, at LED'er og solcelleprodukter nu kan udvikles, der har meget højere, effektiv ydeevne.

"Mens vi stadig er et stykke væk fra rekordsættende solceller, dette gennembrud kan have umiddelbar og varig indvirkning på lysemitterende enheder og kan potentielt udgøre den næststørste halvlederfamilie, III-nitrider, en rigtig spiller på solcelleområdet, " siger Doolittle. Doolittles team på Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering inkluderede også Michael Moseley og Brendan Gunning. Et patent er under behandling for den nye teknologi.