211service.com
Nanopelare som fångar mer ljus
Ett material med en ny nanostruktur utvecklat av forskare vid University of California, Berkeley kan leda till billigare solceller och ljusdetektorer. Den absorberar ljus lika bra som kommersiella tunnfilmssolceller men använder mycket mindre halvledarmaterial.
Tjock och tunn: En bild av ett svepelektronmikroskop visar ljusfångande germaniumnanopelare med dubbla diameter.
Det nya materialet består av en rad nanopelare som är smala upptill och tjockare nertill. De smala topparna tillåter ljus att penetrera arrayen utan att reflekteras. Den tjockare botten absorberar ljus så att den kan omvandlas till elektricitet. Designen absorberar 99 procent av synligt ljus, jämfört med de 85 procent som absorberas av en tidigare design där nanopelarna hade samma tjocklek längs hela sin längd. En vanlig platt film av materialet skulle absorbera endast 15 procent av ljuset.
Strukturer som nanotrådar, mikrotrådar och nanopelare är utmärkta på att fånga ljus, vilket minskar mängden halvledarmaterial som behövs, säger Erik Garnett , en forskare vid Stanford University. Nanotrådar och nanopelare använder hälften till en tredjedel så mycket av det halvledarmaterial som krävs av tunnfilmssolceller gjorda av material som kadmiumtellurid, och så lite som 1 procent av materialet som används i kristallina kiselceller, säger han. Dessa strukturer gör det också lättare att ta ut laddning från materialet. Sammantaget kan dessa förbättringar göra solenergi billigare. Att minska materialkostnaderna samtidigt som man uppnår samma mängd ljusabsorption och därmed effektivitet är mycket viktigt för solceller, säger Shanhui fläkt , professor i elektroteknik vid Stanford.
Många nanostrukturerade material har komplex design och kräver besvärliga tillverkningsmetoder för att deponera flera lager, säger Ali Javey , en elektroteknik- och datavetenskapsprofessor vid UC Berkeley som leder det nya arbetet, som publiceras i tidskriften Nanobokstäver . Han säger att tekniken för att odla nanopelarna är relativt enkel och låg kostnad.
Forskarna gör nanopelare två mikrometer höga, med baser som är 130 nanometer i diameter och spetsar som är 60 nanometer i diameter. De börjar med att skapa en form för porerna i en 2,5 millimeter tjock aluminiumfolie. Först anodiserar de filmen för att skapa ett arrangemang av porer som är 60 nanometer breda och en mikrometer djup lång. De exponerar sedan folien för fosforsyra för att bredda porerna till 130 nanometer - ju längre folien exponeras för syran, desto bredare blir porerna. Genom att anodisera filmen igen görs de befintliga porerna en mikrometer djupare, och denna extra längd har den ursprungliga diametern på 60 nanometer. Spårmängder av guld deponeras sedan i dessa porer som en katalysator för att växa kristaller av halvledarmaterial – i det här fallet germanium, vilket är bra för fotodetektorer – inuti varje por. Slutligen etsas en del av aluminiumet bort, vilket lämnar efter sig en rad germaniumnanopelare inbäddade i ett aluminiumoxidmembran
Javey säger att den här metoden att tillverka nanopelare med varierande diametrar och former är enkel jämfört med andra tillvägagångssätt, som involverar en komplicerad skikt-för-skikt montering av material, och komplexa material som kombinerar trådar med metall nanopartiklar.
Garnett håller med om att Javeys metod kan vara billig, men säger att det fortfarande är för tidigt att veta om metoden kan översättas till en storskalig tillverkningsprocess. Det mest spännande är beviset på att nanostrukturering kan öka absorptionen dramatiskt, säger han.
Genom att justera arrangemanget av pelarna skulle det kunna vara möjligt att tillverka material som absorberar längre infraröda våglängder av ljus, vilket skulle vara användbart för att göra effektiva, billiga infraröda ljusdetektorer. Sedan du skickade in Nanobokstäver papper har forskarna också använt tekniken för att göra nanopelare av kadmiumtellurid, ett material som är bättre lämpat för solceller än germanium.