Till vänster en schematisk bild av en germanium nanopelaruppsättning inbäddad i ett aluminiumoxidfoliemembran; till höger är SEM-bilder i tvärsnitt av ett blankt aluminiumoxidmembran med porer med dubbla diameter; infällt visar germanium nanopelare efter tillväxt. (Bilder med tillstånd av Ali Javey)
Solljus representerar det renaste, grönaste och mest rikliga av alla energikällor, och ändå förblir dess potential bedrövligt underutnyttjad. Höga kostnader har varit en stor avskräckande faktor för storskaliga tillämpningar av kiselbaserade solceller. Nanopillars – tätt packade nanoskala-arrayer av optiskt aktiva halvledare – har visat potential för att tillhandahålla en nästa generation av relativt billiga och skalbara solceller, men har hämmats av effektivitetsproblem. Nanopelarberättelsen, dock, har tagit en ny vändning och framtiden för dessa material ser nu ljusare ut än någonsin.
"Genom att ställa in formen och geometrin hos högt ordnade nanopelarmatriser av germanium eller kadmiumsulfid, vi har kunnat drastiskt förbättra de optiska absorptionsegenskaperna hos våra nanopelare, säger Ali Javey, en kemist som har gemensamma möten med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) i Berkeley.
Javey, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley, har legat i framkant av nanopelarforskningen. Han och hans grupp var först med att demonstrera en teknik med vilken kadmiumsulfidnanopelare kan massproduceras i storskaliga flexibla moduler. I detta senaste verk, de kunde producera nanopelare som absorberar ljus lika bra eller till och med bättre än kommersiella tunnfilmssolceller, med mycket mindre halvledarmaterial och utan behov av antireflekterande beläggning.
"För att förbättra den bredbandiga optiska absorptionseffektiviteten hos våra nanopelare använde vi en ny dubbeldiameterstruktur som har en liten (60 nanometer) diameter spets med minimal reflektans för att släppa in mer ljus, och en bas med stor diameter (130 nanometer) för maximal absorption så att mer ljus kan omvandlas till elektricitet, säger Javey. "Denna struktur med dubbla diameter absorberade 99 procent av infallande synligt ljus, jämfört med 85 procents absorption av våra tidigare nanopelare, som hade samma diameter längs hela sin längd.”
Teoretiska och experimentella arbeten har visat att 3D-matriser av halvledarnanopelare – med väldefinierad diameter, längd och stigning – utmärker sig på att fånga ljus samtidigt som man använder mindre än hälften av det halvledarmaterial som krävs för tunnfilmssolceller gjorda av sammansatta halvledare, såsom kadmiumtellurid, och ungefär en procent av materialet som används i solceller tillverkade av bulkkisel. Men fram till Javeys och hans forskargrupps arbete, att tillverka sådana nanopelare var en komplicerad och besvärlig procedur.
Javey och hans kollegor skapade sina nanopelare med dubbla diameter från formar de gjorde i 2,5 millimeter tjock aluminiumfolie. En tvåstegs anodiseringsprocess användes för att skapa en uppsättning av en mikrometer djupa porer i formen med dubbla diametrar – smala upptill och breda nertill. Guldpartiklar avsattes sedan i porerna för att katalysera tillväxten av halvledarnanopelarna.
"Denna process möjliggör fin kontroll över geometrin och formen på de enkristallina nanopelarmatriserna, utan användning av komplexa epitaxiella och/eller litografiska processer, säger Javey. "På en höjd av bara två mikron, våra nanopelarmatriser kunde absorbera 99 procent av alla fotoner med våglängder mellan 300 och 900 nanometer, utan att behöva lita på några antireflekterande beläggningar.”
Germanium nanopelarna kan ställas in för att absorbera infraröda fotoner för mycket känsliga detektorer, och nanopelarna kadmiumsulfid/tellurid är idealiska för solceller. Tillverkningstekniken är så mycket generisk, Javey säger, den skulle kunna användas med många andra halvledarmaterial också för specifika tillämpningar. Nyligen, han och hans grupp visade att tvärsnittsdelen av nanopelarmatriserna också kan ställas in för att anta specifika former - kvadratiska, rektangel eller cirkel – helt enkelt genom att ändra formen på mallen.
"Detta ger ytterligare en grad av kontroll i de optiska absorptionsegenskaperna hos nanopelare, säger Javey.
Javeys forskning om nanopelare med dubbla diameter finansierades delvis genom National Science Foundations Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS) och genom Berkeley Lab LDRD-medel.
