Nyligen genomförda studier har visat att halvledarnanotrådar erbjuder unika fördelar för ett brett spektrum av tillämpningar. Ett EU-finansierat projekt bryter ny mark i utvecklingen mot hållbar och effektiv energiskörd genom att utnyttja de ovanliga egenskaperna hos dessa små men ändå mycket kontrollerade strukturer.

Med radikalt ny teknik som förändrar hur el genereras och används, en av de viktigaste frågorna kommer att vara att öka effektiviteten och minska kostnaderna för producerad energi.

Nanoteknik öppnar för fundamentalt nya vägar för att möta ovanstående utmaningar. Särskilt, Halvledar nanotrådar hyllas som ett revolutionerande supermaterial som kan öka kostnadseffektiviteten, samtidigt som man minskar mängden material som behövs för energiomvandling.

sporrade av den spännande potentialen hos nanotrådar, forskare etablerade PHD4ENERGY-projektet. Projektet gav möjlighet till 12 Ph.D. studenter att bedriva interdisciplinär forskning inom det nanovetenskapliga området.

Multi-junction solceller, fosforfria lysdioder

Under de senaste åren, forskning på halvledar nanotrådar har hjälpt till att öka förståelsen av strukturen i atomskala och avslöja nya fysiska fenomen på nanometerskala. "Halvledarnanotrådar erbjuder möjligheten att enkelt kombinera material i epitaxiell tillväxt. Till exempel, detta ger mer frihet i materialval vid design av multikorsningar eller heterostrukturer i motsats till plana enheter och kan således leda till högre effektivitet i enklare strukturer, " konstaterar professor Linke Heiner.

"Mikrosprickor som bildas i plana solcellsmoduler när material inte passar ihop är en av huvudkällorna till energiförluster, " förklarar Heiner vidare. Andra fördelar med att använda nanotrådar inkluderar förmågan att finjustera sin interaktion med ljus. Nanostrukturer är effektiva absorbenter av ljus och kan fungera som "antenner", skördar mycket mer ljus och kan därför använda mycket mindre material, öka hållbarheten. Det faktum att de kan dra in ljus från omkring dem banar väg för storskaliga solceller som bara använder en bråkdel av materialet.

Utnyttja den lilla diametern och den cylindriska geometrin hos små trådar gjorda av III-V-halvledare, projektgruppen har framgångsrikt designat unika enhetsstrukturer såsom axiella och radiella heteroövergångar. Fördelen med detta tillvägagångssätt är att de ledande egenskaperna kan moduleras längs med eller över nanotrådens radie. En annan viktig prestation mot högeffektiv, nanotrådsbaserade solceller med flera korsningar inkluderar konstruktionen av nanotrådstunneldioder som kallas Esaki-dioder för användning i tandemsolceller.

En betydande del av deras arbete var inriktat på design av nanometerstora LED-strukturer. För lysdioder med synligt ljus, III-nitriderna – indiumgalliumnitrid – är mycket lämpliga med bandgap i det synliga intervallet för fotonenergier. Dessa fosforfria lysdioder hjälpte till att uppnå ljusemission med längre våglängder för vitt ljus.

Forskare har också genomfört grundliga studier av fördelaktiga termoelektriska nanotrådsegenskaper. Till exempel, de visade för första gången i experiment att värme kan omvandlas till elektricitet med en elektronisk verkningsgrad i nivå med optimerade kraftverk.

I låst steg med alla ovanstående programinriktade aktiviteter, doktorsexamen eleverna utforskade också säkerheten för sina nanotrådar, kontrollera potentiell toxicitet.

PHD4ENERGY undersökte nya koncept och teknologier som visar vägen mot att utveckla nästa generations solcellssystem och effektiva ljuskällor. Med fokus på doktoranders anställningsbarhetsperspektiv, projektet främjade samarbete mellan studenter och industrin genom ett utbildningsprogram vid Lunds universitet.

En stor framgång var också 2016 Ph.D.4Energy Summer School om energiomvandlare i nanoskala som var värd för enastående och internationellt synliga inbjudna föreläsare. Detta besöktes av ett stort antal doktorander och postdoktorer.