(Phys.org) —I fotovoltaik, det finns i allmänhet en avvägning när det gäller halvledartjocklek, med tjockare halvledare som erbjuder bättre fotonabsorption och tunnare som erbjuder högre laddningsbärarextraktionseffektivitet. Under de senaste åren har forskare har börjat undersöka semiconductor nanotråd solceller, som hanterar denna avvägning genom morfologi-beroende resonanser som avsevärt förbättrar absorptionen jämfört med en plan film.

Nu, något kontraintuitivt, forskare har teoretiskt funnit att tunna halvledarfilmer som lindas runt metallnanotrådar har väsentligt bättre ljusabsorptionsegenskaper än fasta halvledande nanotrådar, trots att de använder mindre halvledande material. På samma gång, metallkärnan fungerar som en kontakt för att effektivt extrahera laddningsbärare. Genom att möta avvägningen mellan halvledartjockleken och erbjuda exceptionell prestanda, nanostrukturerna kan bli idealiska byggstenar för billiga solceller och solbränsle.

Ett papper om de nya enheterna av Sander A. Mann och Erik C. Garnett vid Center for Nanophotonics på FOM Institute AMOLF i Amsterdam, Nederländerna, kommer att publiceras i ett framtida nummer av Nano bokstäver .

"Den största betydelsen för vårt arbete är att vi tillhandahåller en konstruktion för nanotrådsbyggstenar som innehåller både utmärkta ljusfångningsegenskaper och en lokal metallelektrodkontakt (för strömuttag), "Berättade Garnett Phys.org . "Silver nanotrådsnät har redan använts som högpresterande transparenta elektroder och vi förväntar oss att genom att belägga dem med tunna halvledande skal kommer vi att kunna göra högeffektiva solceller med billiga material. Det har nu observerats i ett antal papper som nanostrukturering av ett material kan öka ljusabsorptionen även om man använder mindre halvledarmaterial. det här dokumentet tar nästa steg och börjar fundera på hur man konstruerar sådana strukturer med integrerade elektriska kontakter. "

En av designens största fördelar är att den använder mycket tunna halvledande filmer samtidigt som den ger mycket bra ljusabsorption. Såsom nämnts, tjocka halvledarskikt behövs för god ljusabsorption, men högkvalitativ halvledare är mycket kostsamt. Denna nya core-shell geometri öppnar en väg till att använda billiga, riklig, och miljövänliga halvledare som tidigare hade för låg kvalitet för god laddning.

I halvledarobjekt som är mindre än ljusets våglängd, som är fallet med de flesta nanotrådar för fotovoltaiska ändamål, de optiska egenskaperna bestäms främst av resonanser. Dessa resonanser ökar absorptionen mest när de är kritiskt kopplade:förlustfrekvensen på grund av absorption i halvledaren och på grund av strålningsläckage (ljus som slipper nanotråden innan den absorberas) är lika. Detta är ofta fallet nära materialets bandgap, där absorptionen är svag, vilket leder till det mycket kontraintuitiva resultatet att absorptionen i nanotråden faktiskt ökar när absorptionskoefficienten minskar.

Som forskarna förklarar, i core-shell geometri, extrem ljusabsorption uppstår genom att öka antalet och styrkan hos dessa resonanser. Medan i horisontella nanotrådar resonanser alltid är spektralt separerade (vid olika våglängder), i core-shell geometri kan de överlappa varandra. Vidare, horisontella fasta halvledar nanotrådar är mycket polarisationskänsliga, men detta är oönskat eftersom ljus från solen är opolariserat. Kärnskalskalets geometri blir av med detta polarisationsberoende genom att anpassa resonanser i båda polariseringarna samtidigt.

Övergripande, genom att visa att utmärkt ljusabsorption kan uppnås i mycket tunna halvledarlager, denna hybrid nanostruktur erbjuder en spännande ny väg mot att förverkliga billig solteknik baserad på rikliga och miljövänliga halvledare. Forskarna planerar att tillverka prototyper av enheterna snart.

"Våra omedelbara planer är att göra både enkel-nanotråd och array solceller baserade på dessa kärnskalskal för att verifiera våra beräkningar experimentellt, "Sa Garnett.

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.