(Phys.org) - Forskare som skapar elektricitet genom solceller vill omvandla så många av solens våglängder som möjligt för att uppnå maximal effektivitet. Annat, de äter bara en liten del av en skjuten anka:slösar bort tid och pengar genom att bara använda en liten bit av solens inkommande energier.

Av denna anledning, de ser indiumgalliumnitrid som ett värdefullt framtida material för solcellssystem. Genom att ändra koncentrationen av indium kan forskare justera materialets svar så att det samlar solenergi från en mängd olika våglängder. Ju fler varianter som designats in i systemet, ju mer av solspektrumet kan absorberas, leder till ökad solcellseffektivitet. Kisel, dagens solcellsindustristandard, är begränsad i det våglängdsområde den kan "se" och absorbera.

Men det finns ett problem:indiumgalliumnitrid, del av en familj av material som kallas III-nitrider, odlas vanligtvis på tunna filmer av galliumnitrid. Eftersom atomskikt av galliumnitrid har olika kristallgitteravstånd från atomskikt av indiumgalliumnitrid, missanpassningen leder till strukturell töjning som begränsar både skikttjockleken och procentandelen indium som kan tillsättas. Således, att öka andelen tillsatt indium breddar solspektrumet som kan samlas in, men minskar materialets förmåga att tolerera belastningen.

Sandia National Laboratories forskare Jonathan Wierer Jr. och George Wang rapporterade i tidskriften Nanotechnology att om indiumblandningen odlas på en falang av nanotrådar snarare än på en plan yta, de små ytområdena på nanotrådarna tillåter indiumskalskiktet att delvis "slappna av" längs varje tråd, lätta på belastningen. Denna avslappning gjorde det möjligt för teamet att skapa en nanotrådsolcell med indiumprocent på ungefär 33 procent, högre än något annat rapporterat försök att skapa III-nitrid solceller.

Detta första försök sänkte också absorptionsbasenergin från 2,4 eV till 2,1 eV, den lägsta av någon III-nitrid solcell hittills, och gjorde ett bredare spektrum av våglängder tillgängliga för kraftomvandling. Effektomvandlingseffektiviteten var låg – endast 0,3 procent jämfört med en vanlig kommersiell cell som brummar med cirka 15 procent – ​​men demonstrationen ägde rum på ofullkomliga mallar med nanotrådar. Förfining bör leda till högre effektivitet och ännu lägre energier.

Flera unika tekniker användes för att skapa III-nitrid nanotrådarray-solcellen. En top-down tillverkningsprocess användes för att skapa nanotrådarrayen genom att maskera ett galliumnitrid (GaN) lager med en kolloidal kiseldioxidmask, följt av torr och våt etsning. Den resulterande arrayen bestod av nanotrådar med vertikala sidoväggar och av enhetlig höjd.

Nästa, skalskikt innehållande den högre indiumprocenten av indiumgalliumnitrid (InGaN) bildades på GaN nanotrådsmallen via metallorganisk kemisk ångavsättning. Slutligen, I 0.02Ga0.98N odlades, på ett sådant sätt som fick nanotrådarna att smälta samman. Denna process producerade ett kapellskikt på toppen, underlättar enkel plan bearbetning och gör tekniken tillverkningsbar.

Resultaten, säger Wierer, även om det är blygsamt, representerar en lovande väg framåt för III-nitrid solcellsforskning. Nano-arkitekturen möjliggör inte bara högre indiumandel i InGaN-skikten utan också ökad absorption via ljusspridning i det facetterade InGaN-kapellskiktet, såväl som lufthåligheter som leder ljus inom nanotrådarrayen.