Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Framtidens nanopillars ser nu ljusare än någonsin

Published on November 16, 2010 at 6:09 PM

Solljus är den renaste, grönaste och i särklass vanligast förekommande av alla energikällor, och ändå dess potential är bedrövligt underutnyttjade. Höga kostnader har varit ett stort deterrant till storskaliga tillämpningar av kiselbaserade solceller.

Nanopillars - tätt packade nanoskala kedjor av optiskt aktiva halvledare - har visat potential att ge en kommande generation av relativt billiga och skalbara solceller, men har hämmats av effektivitet frågor. Den nanopillar Historien har dock tagit en ny vändning och framtiden för dessa material nu ser ljusare ut än någonsin.

Till vänster en schematisk av germanium nanopillar rad inbäddade i en aluminiumoxid folie membran, till höger är tvärsnitts-SEM-bilder av en tom aluminiumoxid membran med dubbla diametern porer, infällda bilden visar germanium nanopillars efter tillväxt. (Bilder med tillstånd av Ali Javey)

"Genom att finjustera formen och geometri mycket beställde nanopillar kedjor av germanium eller kadmium svavelväte, har vi kunnat för att drastiskt öka optisk absorption egenskaperna hos våra nanopillars", säger Ali Javey, en kemist som innehar gemensamma möten med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) på Berkeley.

Javey, en fakultet forskare med Berkeley Lab Materials Sciences Division och en UC Berkeley professor i elektroteknik och datavetenskap, har varit i spetsen för nanopillar forskning. Han och hans grupp var de första att demonstrera en teknik med vilken kadmiumsulfid nanopillars kan massproduceras i stora flexibla moduler. I detta senaste verk, kunde de producera nanopillars som absorberar ljus lika bra eller bättre än kommersiella tunnfilms-solceller, med betydligt mindre halvledarmaterial och utan behov av antireflexbehandling.

"För att öka bredband optisk absorption effektiviteten i våra nanopillars använde vi en ny dubbel diameter struktur som har en liten (60 nanometer) i diameter spets med minimal reflektans att tillåta mer ljus i, och en stor (130 nanometer) i diameter bas för maximal absorption så att mer ljus omvandlas till elektricitet, "Javey säger. "Denna dubbla diametern struktur upp 99-procent av infallande synligt ljus, jämfört med 85 procent absorptionen av våra tidigare nanopillars, som hade samma diameter i hela sin längd."

Teoretiska och experimentella arbeten har visat att 3-D-matriser halvledare nanopillars - med väldefinierade diameter, längd och tonhöjd - bäst på att fånga ljus samtidigt som du använder mindre än hälften av halvledarmaterial som krävs för tunnfilms-solceller gjorda av sammansatta halvledare, till exempel som kadmiumtellurid, och omkring en procent av det material som används i solceller gjorda av bulk kisel. Men tills arbetet Javey och hans forskargrupp, fabricera sådant nanopillars var en komplex och omständligt förfarande.

Javey och hans kollegor formade sin dubbla diametern nanopillars från formar de gjorde i 2,5 millimeter tjock aluminium folie. En två-stegs anodisering process som användes för att skapa en array med en mikrometer djupa porer i formen med dubbla diameter - smal upptill och bred i botten. Guldpartiklar har sedan deponeras in i porerna för att katalysera tillväxten av halvledare nanopillars.

"Denna process möjliggör exakt kontroll över geometri och form av ett enda kristallina nanopillar arrayer, utan användning av komplexa epitaxiella och / eller litografiska processer," Javey säger. "På en höjd av endast två mikrometer, var våra nanopillar arrayer kan absorbera 99-procent av alla fotoner som varierade i våglängder mellan 300 till 900 nanometer, utan att behöva förlita sig på någon antireflexbehandling."

Den germanium nanopillars kan anpassas för att absorbera infraröd fotoner för mycket känsliga detektorer och kadmiumsulfid / Telluride nanopillars är idealiska för solceller. Den tillverkningstekniken är så mycket allmän, Javey säger, det kan användas med många andra halvledarmaterial samt för specifika applikationer. Nyligen han och hans grupp har visat att tvärsnitts-delen av nanopillar arrayer kan också ställas in att ta specifika former - kvadrat, rektangel eller cirkel - bara genom att ändra formen på mallen.

"Detta visar ännu en grad av kontroll i den optiska absorptionen egenskaper nanopillars" Javey säger.

Javey dubbla diameter nanopillar forskning delvis finansieras genom National Science Foundations Center of Integrated Nanomechanical Systems (mynt) och genom Berkeley Lab LDRD fonder.

Ett papper som beskriver denna forskning visas on-line i tidskriften Nano Letters under titeln "Beställda matriser av dubbla Diameter nanopillars för Maximerad optisk absorption." Co-authoring pappret med Javey var Zhiyong Fläkt, Rehan Kapadia, Paul Leu, Xiaobo Zhang , Yu-Lun Chueh, Kuniharu Takei, Kyoungsik Yu, Arash Jamshidi, Asghar Rathore, Daniel Ruebusch och Ming Wu.

Last Update: 3. October 2011 08:57

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit