Ett nyligen gjort framsteg av forskare från Arizona State University i att utveckla nanotrådar kan leda till effektivare solceller för att generera energi från solljus, och till bättre ljusemitterande dioder (LED) som skulle kunna ersätta mindre energieffektiva glödlampor.

Elektriska ingenjörer Cun-Zheng Ning och Alian Pan arbetar med att förbättra kvartära legerade halvledarmaterial nanotrådar.

Nanotrådar är tiotals nanometer i diameter och tiotals mikrometer långa. Kvartära legeringar är gjorda av halvledare med fyra element, tillverkas ofta genom att legera två eller flera sammansatta halvledare.

Halvledare är den materiella basen för teknologier som solceller, högeffektiva lysdioder för belysning, och för synliga och infraröda detektorer.

En av de mest kritiska parametrarna för halvledare som avgör genomförbarheten för dessa teknologier är bandgapet. Bandgapet för en halvledare bestämmer, till exempel, om en given våglängd av solljus absorberas eller lämnas oförändrad av halvledaren i en solcell.

Bandgap avgör också vilken färg på ljus en lysdiod avger. För att göra solceller mer effektiva, det är nödvändigt att öka utbudet av bandgap.

Helst den högsta solcellseffektiviteten uppnås genom att ha ett brett utbud av bandgap som matchar hela solspektrumet, förklarar Ning, professor vid School of Electrical, Dator- och energiteknik, en del av ASU:s Ira A. Fulton Schools of Engineering.

I LED-belysningsapplikationer, han säger, fler tillgängliga bandluckor betyder att fler färger kan avges, ger mer flexibilitet i färgteknik eller färgåtergivning av ljus.

Till exempel, olika proportioner av rött, gröna och blå färger skulle blandas med olika vita färger. Mer flexibilitet skulle göra det möjligt att justera vit färg för att passa olika situationer, eller individuella preferenser.

Liknande, Ning säger, detektering av olika färger kräver halvledare med olika bandgap. Ju fler bandluckor som är tillgängliga, desto mer information kan erhållas om ett objekt som ska detekteras. Således, alla dessa belysningstillämpningar kan förbättras genom att ha halvledare med ett brett utbud av bandgap.

Forskarna säger att hindret är att varje konstgjord eller naturligt förekommande halvledare bara har ett specifikt bandgap.

Ett standardsätt att bredda utbudet av bandgap är att legera två eller flera halvledare. Genom att justera den relativa andelen av två halvledare i en legering, det är möjligt att utveckla nya bandgap mellan de två halvledarna.

Men för att åstadkomma detta krävs ett tillstånd som kallas gitterkonstantmatchning, vilket kräver att liknande interatomära utrymmen mellan två halvledare odlas ihop.

"Det är därför vi inte kan odla legeringar av godtyckliga sammansättningar för att uppnå godtyckliga bandgap, " säger Ning. "Denna brist på tillgängliga bandgap är en av anledningarna till att den nuvarande solcellseffektiviteten är låg, och varför vi inte har LED-belysningsfärger som kan justeras för olika situationer."

I de senaste försöken att odla halvledarnanotrådar med "nästan" godtyckliga bandgap, forskargruppen ledd av Ning och Pan, en biträdande forskningsprofessor, har använt ett nytt tillvägagångssätt för att skapa ett extremt brett utbud av bandgap.

De legerade två halvledare, zinksulfid (ZnS) och kadmiumselenid (CdSe) för att producera den kvartära halvledarlegeringen ZnCdSSe, som producerade kontinuerligt varierande sammansättningar av element på ett enda substrat (ett material på vilket en krets bildas eller tillverkas).

Ning säger detta första gången en kvartär halvledare har producerats i form av en nanotråd eller nanopartikel.

Genom att kontrollera den rumsliga variationen av olika element och temperaturen på ett substrat (kallad dubbelgradientmetoden), teamet producerade ljusemissioner som varierade från 350 till 720 nanometer på ett enda substrat som bara var några centimeter i storlek.

Färgen som sprids över substratet kan kontrolleras i hög grad, och Ning säger att han tror att denna dubbelgradientmetod kan tillämpas mer allmänt för att producera andra legeringshalvledare eller utöka bandgapintervallet för dessa legeringar.

För att utforska användningen av kvartära legeringsmaterial för att göra solceller mer effektiva, hans team har utvecklat en lateral multicelldesign kombinerad med en dispersiv koncentrator.

Begreppet dispersiv koncentration, eller spektral delad koncentration, har utforskats i decennier. Men den typiska applikationen använder en separat solcell för varje våglängdsband.

Med de nya materialen, Ning hoppas kunna bygga en monolitisk lateral supercell som innehåller flera subceller parallellt, var och en optimerad för ett givet våglängdsband. De multipla subcellerna kan absorbera hela solspektrumet. Sådana solceller kommer att kunna uppnå extremt hög verkningsgrad med låg tillverkningskostnad. Teamet arbetar med både design och tillverkning av sådana solceller.

Liknande, de nya kvartära legeringsnanotrådarna med stort våglängdsspann kan utforskas för färgkonstruerade ljusapplikationer.

Forskarna har visat att färgkontroll genom legeringssammansättningskontroll kan utökas till två rumsliga dimensioner, ett steg närmare färgdesign för generering av direkt vitt ljus eller för färgskärmar.