(PhysOrg.com) -- Sol- eller fotovoltaiska celler representerar en av de bästa möjliga teknikerna för att tillhandahålla en absolut ren och praktiskt taget outtömlig energikälla för att driva vår civilisation. Dock, för att denna dröm ska förverkligas, solceller måste tillverkas av billiga element med låg kostnad, mindre energikrävande processkemi, och de måste på ett effektivt och kostnadseffektivt sätt omvandla solljus till elektricitet. Ett team av forskare med det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har nu visat två av tre av dessa krav med en lovande start på den tredje.

Peidong Yang, en kemist vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, ledde utvecklingen av en lösningsbaserad teknik för att tillverka kärna/skal nanotrådsolceller med hjälp av halvledarna kadmiumsulfid för kärnan och kopparsulfid för skalet. Dessa billiga och lätttillverkade nanotrådssolceller har öppen kretsspänning och fyllfaktorvärden som är överlägsna konventionella plana solceller. Tillsammans, tomgångsspänningen och fyllfaktorn bestämmer den maximala energi som en solcell kan producera. Dessutom, de nya nanotrådarna visade också en energiomvandlingseffektivitet på 5,4 procent, vilket är jämförbart med plana solceller.

"Detta är första gången en lösningsbaserad katjonbyteskemiteknik har använts för produktion av högkvalitativa enkristallin kadmiumsulfid/kopparsulfidkärna/skal nanotrådar, " säger Yang. "Vår prestation, tillsammans med den ökade ljusabsorptionen vi tidigare har visat i nanotrådarrayer genom ljusinfångning, indikerar att kärna/skal nanotrådar verkligen är lovande för framtida solcellsteknologi."

Yang, som har ett gemensamt möte med University of California (UC) Berkeley, är motsvarande författare till en artikel som rapporterar denna forskning som visas i tidskriften Nature Nanotechnology. Uppsatsen har titeln "Lösningsbehandlade kärna-skal nanotrådar för effektiva solceller." Jinyao Tang var medförfattare av detta papper med Yang, Ziyang Huo, Sarah Brittman och Hanwei Gao.

Typiska solceller idag är gjorda av ultrarena enkristallkiselskivor som kräver cirka 100 mikrometer i tjocklek av detta mycket dyra material för att absorbera tillräckligt med solljus. Vidare, den höga nivån av kristallrening som krävs gör tillverkningen av även den enklaste kiselbaserade plana solcellen till en komplex, energikrävande och kostsam process.

Ett mycket lovande alternativ skulle vara halvledarnanotrådar – endimensionella remsor av material vars bredd bara mäter en tusendel av ett människohår men vars längd kan sträcka sig upp till millimeterskalan. Solceller tillverkade av nanotrådar erbjuder ett antal fördelar jämfört med konventionella plana solceller, inklusive bättre laddningsseparering och insamlingsmöjligheter, plus att de kan tillverkas av jordnära material snarare än högbearbetat kisel. Hittills, dock, den lägre effektiviteten hos nanotrådsbaserade solceller har uppvägt deras fördelar.

"Nanowire-solceller har tidigare visat fyllningsfaktorer och öppen kretsspänning som är mycket sämre än deras plana motsvarigheter, " säger Yang. "Möjliga orsaker till denna dåliga prestanda inkluderar ytrekombination och dålig kontroll över kvaliteten på p–n-övergångarna när högtemperaturdopningsprocesser används."

I hjärtat av alla solceller finns två separata lager av material, en med ett överflöd av elektroner som fungerar som en negativ pol, och en med ett överflöd av elektronhål (positivt laddade energirum) som fungerar som en positiv pol. När fotoner från solen absorberas, deras energi används för att skapa elektron-hål-par, som sedan separeras vid p-n-övergången – gränsytan mellan de två lagren – och samlas in som elektricitet.

För ungefär ett år sedan, arbeta med kisel, Yang och medlemmar av hans forskargrupp utvecklade ett relativt billigt sätt att ersätta de plana p-n-övergångarna i konventionella solceller med en radiell p-n-övergång, i vilket ett lager av n-typ kisel bildade ett skal runt en p-typ kisel nanotrådskärna. Denna geometri förvandlade effektivt varje enskild nanotråd till en fotovoltaisk cell och förbättrade avsevärt ljusfångningsförmågan hos kiselbaserade fotovoltaiska tunna filmer.

Nu har de tillämpat denna strategi för tillverkning av kärna/skal nanotrådar med kadmiumsulfid och kopparsulfid, men denna gång med lösningskemi. Dessa kärna/skal nanotrådar framställdes med hjälp av en lösningsbaserad katjonbytesreaktion (negativ jon) som ursprungligen utvecklades av kemisten Paul Alivisatos och hans forskargrupp för att göra kvantprickar och nanorods. Alivisatos är nu chef för Berkeley Lab, och UC Berkeleys Larry och Diane Bock professor i nanoteknik.

"De första kadmiumsulfidnanotrådarna syntetiserades genom fysisk ångtransport med hjälp av en vapor-liquid-solid-mekanism (VLS) snarare än våtkemi, vilket gav oss material av bättre kvalitet och större fysisk längd, men visst kan de också göras med hjälp av lösningsprocessen", säger Yang. "De enkristallina nanotrådarna av kadmiumsulfid som växer fram har diametrar på mellan 100 och 400 nanometer och längder upp till 50 millimeter."

Kadmiumsulfidnannotrådarna doppades sedan i en lösning av kopparklorid vid en temperatur av 50 grader Celsius och hölls där i 5 till 10 sekunder. Katjonbytarreaktionen omvandlade ytskiktet av kadmiumsulfiden till ett kopparsulfidskal.

"Den lösningsbaserade katjonbytarreaktionen ger oss en enkel, lågkostnadsmetod för att framställa hetero-epitaxial nanomaterial av hög kvalitet, " säger Yang. "Dessutom, det kringgår svårigheterna med högtemperaturdopning och avsättning för typiska ångfasproduktionsmetoder, vilket tyder på mycket lägre tillverkningskostnader och bättre reproducerbarhet. Allt vi egentligen behöver är bägare och kolvar för denna lösningsbaserade process. Det finns ingen av de höga tillverkningskostnaderna förknippade med gasfas epitaxiell kemisk ångavsättning och molekylär strålepitaxi, de tekniker som används mest idag för att tillverka halvledar nanotrådar."

Yang och hans kollegor tror att de kan förbättra energiomvandlingseffektiviteten för sina solcells nanotrådar genom att öka mängden kopparsulfidskalmaterial. För att deras teknik ska vara kommersiellt gångbar, de måste nå en energiomvandlingseffektivitet på minst tio procent.