211service.com
Nanopilaren die meer licht opvangen
Een materiaal met een nieuwe nanostructuur ontwikkeld door onderzoekers van de University of California, Berkeley, zou kunnen leiden tot goedkopere zonnecellen en lichtdetectoren. Het absorbeert licht net zo goed als commerciële dunnefilmzonnecellen, maar gebruikt veel minder halfgeleidermateriaal.
Dik en dun: Een scanning-elektronenmicroscoopafbeelding toont lichtvangende germanium-nanopilaren met dubbele diameter.
Het nieuwe materiaal bestaat uit een reeks nanopilaren die smal zijn aan de bovenkant en dikker aan de onderkant. De smalle toppen laten licht door de array zonder weerkaatsing. De dikkere bodem absorbeert licht zodat het kan worden omgezet in elektriciteit. Het ontwerp absorbeert 99 procent van het zichtbare licht, vergeleken met de 85 procent die werd geabsorbeerd door een eerder ontwerp waarin de nanopilaren over de gehele lengte dezelfde dikte hadden. Een gewone platte film van het materiaal zou slechts 15 procent van het licht absorberen.
Structuren zoals nanodraden, microdraden en nanopilaren zijn uitstekend in het vangen van licht, waardoor de benodigde hoeveelheid halfgeleidermateriaal wordt verminderd, zegt Erik Garnett , een onderzoeker aan de Stanford University. Nanodraden en nanopilaren gebruiken de helft tot een derde van het halfgeleidermateriaal dat nodig is voor dunnefilmzonnecellen gemaakt van materialen zoals cadmiumtelluride, en slechts 1 procent van het materiaal dat wordt gebruikt in kristallijne siliciumcellen, zegt hij. Deze structuren maken het ook gemakkelijker om lading uit het materiaal te halen. Over het algemeen kunnen deze verbeteringen zonne-energie goedkoper maken. Het verlagen van de materiaalkosten en het bereiken van dezelfde hoeveelheid lichtabsorptie en dus efficiëntie is erg belangrijk voor zonnecellen, zegt Shanhui-fan , een professor in elektrotechniek aan Stanford.
Veel nanogestructureerde materialen hebben complexe ontwerpen en vereisen omslachtige fabricagemethoden om meerdere lagen te deponeren, zegt Ali Javey , een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan UC Berkeley die het nieuwe werk leidt, dat in het tijdschrift wordt gepubliceerd Nano-letters . Hij zegt dat de techniek om de nanopilaren te laten groeien relatief eenvoudig en goedkoop is.
De onderzoekers maken nanopilaren van twee micrometer hoog, met bases van 130 nanometer in diameter en tips van 60 nanometer in diameter. Ze beginnen met het maken van een mal voor de poriën in een 2,5 millimeter dikke aluminiumfolie. Eerst anodiseren ze de film om een opstelling van poriën te creëren die 60 nanometer breed en één micrometer diep lang zijn. Vervolgens stellen ze de folie bloot aan fosforzuur om de poriën te verbreden tot 130 nanometer - hoe langer de folie wordt blootgesteld aan het zuur, hoe breder de poriën worden. Door de film opnieuw te anodiseren, worden de bestaande poriën een micrometer dieper en heeft deze extra lengte de oorspronkelijke diameter van 60 nanometer. Sporen van goud worden vervolgens in deze poriën afgezet als katalysator om kristallen van halfgeleidermateriaal te laten groeien - in dit geval germanium, wat goed is voor fotodetectoren - in elke porie. Ten slotte wordt een deel van het aluminium weggeëtst, waardoor een reeks germanium-nanopilaren achterblijft die zijn ingebed in een aluminiumoxidemembraan
Javey zegt dat deze methode om nanopilaren van verschillende diameters en vormen te maken eenvoudig is in vergelijking met andere benaderingen, waarbij een gecompliceerde laag-voor-laag assemblage van materialen en complexe materialen die draden combineren met metalen nanodeeltjes omvatten.
Garnett is het ermee eens dat de methode van Javey goedkoop zou kunnen zijn, maar zegt dat het nog te vroeg is om te weten of de methode kan worden vertaald naar een grootschalig productieproces. Het meest opwindende is het bewijs dat nanostructurering de absorptie drastisch kan verhogen, zegt hij.
Door de opstelling van de pilaren aan te passen, zou het mogelijk kunnen zijn om materialen te maken die langere infrarode golflengten van licht absorberen, wat handig zou zijn voor het maken van efficiënte, goedkope infraroodlichtdetectoren. Sinds het indienen van de Nano-letters paper hebben de onderzoekers de techniek ook gebruikt om nanopilaren te maken van cadmiumtelluride, een materiaal dat beter geschikt is voor zonnecellen dan germanium.