En rapport, publicerad i den 14 mars upplagan av Journal of Materials Chemistry , tillkännagav framgångsrik tillverkning och testning av en ny typ av solcell med en oorganisk kärna/skal nanotrådstruktur.
Arrangemang av kärn-/skal -nanotrådar (beskrivet har "kvantkoaxialkablar") hade tidigare teoretiserats som en potentiell struktur som, medan de består av kemiskt mer stabila oorganiska material med stora bandgap, bör också kunna absorbera det breda intervallet av de våglängder som finns i solljus. Halvledare med hög bandgap anses i allmänhet inte vara effektiva för att själva absorbera de flesta tillgängliga våglängderna i solstrålning. Till exempel, hög bandgap zinkoxid (ZnO) är transparent i det synliga men absorberande i det ultravioletta området, och används därför i stor utsträckning i solskyddsmedel men ansågs inte vara användbar i solceller.
I rapporten, ett team av forskare från Xiamen University i Kina och University of North Carolina i Charlotte beskriver framgångsrikt skapande av zinkoxid (ZnO) nanotrådar med en zinkselenid (ZnSe) beläggning för att bilda en materialstruktur känd som en typ II heterojunction som har en signifikant lägre bandgap än något av originalmaterialen. Teamet rapporterade att arrayer av de strukturerade nanotrådarna därefter kunde absorbera ljus från de synliga och nära infraröda våglängderna, och visa den potentiella användningen av bredbandsmaterial för en ny typ av prisvärda och hållbara solceller.
"Material med hög bandgap tenderar att vara kemiskt stabilare än de lägre bandgap -halvledarna som vi för närvarande har, " noterade teammedlemmen Yong Zhang, en Bissell Distinguished Professor vid Institutionen för el- och datateknik och i Energy Production and Infrastructure Center (EPIC) vid University of North Carolina i Charlotte.
"Och dessa nanotrådsstrukturer kan tillverkas med en mycket låg kostnadsteknik, använda en kemisk ångavsättningsteknik (CVD) för att växa arrayen, " tillade han. "I jämförelse, solceller som använder kisel och galliumarsenid kräver dyrare produktionstekniker."
Baserat på ett koncept som publicerades i Nano Letters 2007 av Zhang och medarbetarna Lin-Wang Wang (Lawrence Berkeley National Laboratory) och Angelo Mascarenhas (National Renewable Energy Laboratory), arrayen tillverkades av Zhangs nuvarande medarbetare Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li och Junyong Kang vid Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications vid Institutionen för fysik vid Xiamen University, Kina.
Tidigare försök att använda material med hög bandgap använde faktiskt inte halvledarna för att absorbera ljus utan innebar istället att belägga dem med organiska molekyler (färgämnen) som åstadkom fotoabsorptionen och helt enkelt överförde elektroner till halvledarmaterialet. I kontrast, lagets heterojunction nanotrådar absorberar ljuset direkt och leder effektivt en ström genom nanostora "koaxiala" ledningar, som separerar laddningar genom att sätta de exciterade elektronerna i trådarnas zinkoxidkärnor och "hålen" i zinkseleniden.
"Genom att göra en speciell heterojunction -arkitektur på nanoskala, vi tillverkar också koaxiala nanotrådar som är bra för konduktivitet, " sa Zhang. "Även om du har bra ljusabsorption och du skapar elektron-hålpar, du måste kunna ta ut dem till kretsen för att få ström, så vi måste ha bra ledningsförmåga. Dessa koaxiala nanotrådar liknar koaxialkabeln inom elektroteknik. Så i grund och botten har vi två ledande kanaler – elektronen går åt ena hållet i kärnan och hålet går åt andra hållet i skalet."
Nanotrådarna skapades genom att först odla en rad sexsidiga zinkoxidkristall "trådar" från en tunn film av samma material med hjälp av ångavsättning. Tekniken skapade en skog av slätsidiga nålliknande zinkoxidkristaller med enhetliga diametrar (40 till 80 nanometer) längs deras längd (cirka 1,4 mikrometer). Ett något grövre zinkselenidskal avsattes sedan för att täcka alla trådar. Till sist, en indiumtennoxid (ITO) film var bunden till zinkselenidbeläggningen, och en indiumsond kopplades till zinkoxidfilmen, skapa kontakter för alla strömmar som genereras av cellen.
"Vi mätte enheten och visade att fotoresponströskeln var 1,6 eV, " sa Zhang, noterar att cellen således var effektiv för att absorbera ljusvågvåglängder från ultraviolett till nära infrarött, ett område som täcker det mesta av solstrålningen som når jordens yta.
Även om användningen av nanotrådarna för att absorbera ljusenergi är en viktig innovation, kanske ännu viktigare är forskarnas framgång med att använda stabila oorganiska halvledarmaterial med högt bandgap för en billig men effektiv solenergianordning.
"Detta är en ny mekanism, eftersom dessa material tidigare inte ansågs vara direkt användbara för solceller, " sa Zhang. Han betonade att applikationerna för konceptet inte slutar där utan öppnar dörren för att överväga ett större antal halvledarmaterial med högt bandgap med mycket önskvärda materialegenskaper för olika solenergirelaterade applikationer, såsom vätebildning genom fotoelektrokemisk vattensplittring.
"Den utökade användningen av heterostrukturer i nanoskala typ II utökar också deras användning för andra applikationer, såsom fotodetektorer - IR -detektor i synnerhet, " noterade han.
