Forskere forbedrer ydeevnen for III-V nanotrådssolceller på grafen

(Phys.org) - Forestil dig en mark med små ledninger - der står opmærksom som en lille hvedemark - samler solens stråler som det første trin i konvertering af solenergi.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har opnået nye præstationsniveauer for frøfrie og substratfrie arrays af nanotråde fra materialer, der kaldes III-V (tre-fem) direkte på grafen. Disse sammensatte halvledere har et særligt løfte om applikationer, der involverer lys, såsom solceller eller lasere.

"I løbet af de sidste to årtier har forskning inden for halvleder-nanotråde har bidraget til at omforme vores forståelse af atomskala krystalmontering og afdække nye fysiske fænomener på nanometer skala, "forklarede Xiuling Li, professor i el- og computerteknik i Illinois. I 20. marts udgave af Avancerede materialer , forskerne præsenterer den første rapport om en ny solcellearkitektur baseret på tætte arrays af koaksial p-n junction InGaAs nanotråde på InAs stammer vokset direkte på grafen uden metalkatalysatorer eller litografiske mønstre.

"I dette arbejde, vi har overvundet den overraskende struktur (fasesegregering) og med succes vokset enfasede InGaA'er og vist meget lovende solcelleydelse, "forklarede postdoktorforsker Parsian Mohseni, første forfatter til undersøgelsen.

"Afhængigt af materialer, nanotråde kan bruges til funktionel elektronik og optoelektronik applikationer, "Tilføjede Mohseni." De største fordele ved dette III-V fotovoltaiske solcelledesign er, at det er rimeligt billigt, uden substrat, og har en indbygget bagsidekontakt, samtidig med at det bidrager til integration inden for andre fleksible enhedsplatforme. "

Li's forskningsgruppe bruger en metode kaldet van der Waals epitaxy til at dyrke nanotråde nedefra og op på et todimensionalt ark, I dette tilfælde, grafen. Gasser, der indeholder gallium, indium, og arsen pumpes ind i et kammer, hvor grafenarket sidder, får nanotråden til at samle sig selv, vokser af sig selv til et tæt tæppe af lodrette ledninger hen over grafenens overflade.

I deres tidligere arbejde ( Nano bogstaver 2013) ved hjælp af et grafenark, forskerne opdagede, at InGaAs -ledninger dyrket på grafen spontant adskiller sig til en indiumarsenid (InAs) -kerne med en InGaAs -skal omkring ydersiden af ​​tråden. For at forbedre materialernes effektivitet ved konvertering af solenergi, forskerne omgåede den unikke van der Waals epitaxy inducerede spontan fasesegregation ved at indsætte InAs -segmenter imellem. De resulterende ternære InGaAs NW -arrays er lodrette, ikke-konisk, styrbar i størrelse, højde, og doping, og stort set indstillelig i sammensætning således energi til monolitisk heterogen integration med 2D van der Waals -ark inklusive grafen.

Under luftmasse 1,5 global solbelysning, kerneskallen In _0,25 Ga _0,75 Som (E. _g ~ 1,1 eV) nanotrådarrays på grafen viser en konverteringseffektivitet på 2,51 %, repræsenterer en ny rekord for substratfri, III-V NW-baserede solceller.

"Selvom InGaAs langt fra er de optimale bandgap -materialer til højeffektive solceller, den direkte epitaxy på grafenplatform, der er etableret her, har betydelige konsekvenser for en lang række III-V-sammensatte halvleder NW-baserede solceller på grafen, samt lysemittere og multi-junction tandem solceller, som alle kan frigives til fleksible applikationer, "Sagde Li.