Een recente vooruitgang door onderzoekers van de Arizona State University bij de ontwikkeling van nanodraden zou kunnen leiden tot efficiëntere fotovoltaïsche cellen voor het opwekken van energie uit zonlicht, en naar betere light-emitting diodes (LED's) die minder energiezuinige gloeilampen zouden kunnen vervangen.

Elektrotechnici Cun-Zheng Ning en Alian Pan werken aan het verbeteren van quaternaire legering halfgeleider nanodraadmaterialen.

Nanodraden hebben een diameter van tientallen nanometers en een lengte van tientallen microns. Quaternaire legeringen zijn gemaakt van halfgeleiders met vier elementen, vaak gemaakt door twee of meer samengestelde halfgeleiders te legeren.

Halfgeleiders vormen de materiële basis voor technologieën zoals zonnecellen, hoogrendementsleds voor verlichting, en voor zichtbare en infrarood detectoren.

Een van de meest kritische parameters van halfgeleiders die de haalbaarheid van deze technologieën bepalen, is de band gap. De bandafstand van een halfgeleider bepaalt, bijvoorbeeld, als een bepaalde golflengte van zonlicht wordt geabsorbeerd of onveranderd wordt gelaten door de halfgeleider in een zonnecel.

Band gap bepaalt ook welke kleur licht een led uitstraalt. Om zonnecellen efficiënter te maken, het is noodzakelijk om het bereik van bandhiaten te vergroten.

Ideaal, het hoogste zonnecelrendement wordt bereikt door een breed scala aan bandhiaten die overeenkomen met het hele zonnespectrum, legt Ning uit, een professor aan de School of Electrical, Computer- en energietechniek, een onderdeel van ASU's Ira A. Fulton Schools of Engineering.

In LED-verlichtingstoepassingen, hij zegt, meer beschikbare bandgaps betekent dat er meer kleuren kunnen worden uitgestraald, biedt meer flexibiliteit in kleurtechniek of kleurweergave van licht.

Bijvoorbeeld, verschillende verhoudingen van rood, groene en blauwe kleuren zouden zich vermengen met verschillende witte kleuren. Door meer flexibiliteit kan de witte kleur worden aangepast aan verschillende situaties, of individuele voorkeuren.

evenzo, Ning zegt, detectie van verschillende kleuren vereist halfgeleiders met verschillende bandafstanden. Hoe meer bandgaps er beschikbaar zijn, des te meer informatie kan worden verkregen over een te detecteren object. Dus, al deze verlichtingstoepassingen kunnen worden verbeterd door halfgeleiders te gebruiken met een breed scala aan bandafstanden.

De onderzoekers zeggen dat de hindernis is dat elke door de mens gemaakte of natuurlijk voorkomende halfgeleider slechts een specifieke bandafstand heeft.

Een standaardmanier om het bereik van bandhiaten te verbreden, is door twee of meer halfgeleiders te legeren. Door het relatieve aandeel van twee halfgeleiders in een legering aan te passen, het is mogelijk om nieuwe bandgaps te ontwikkelen tussen die van de twee halfgeleiders.

Maar om dit te bereiken is een voorwaarde nodig die roosterconstante matching wordt genoemd, waarvoor vergelijkbare interatomaire ruimten tussen twee halfgeleiders nodig zijn om samen te groeien.

"Dit is de reden waarom we geen legeringen van willekeurige samenstellingen kunnen kweken om willekeurige bandafstanden te bereiken, " zegt Ning. "Dit gebrek aan beschikbare bandgaps is een van de redenen waarom de huidige zonnecelefficiëntie laag is, en waarom we geen LED-verlichtingskleuren hebben die voor verschillende situaties kunnen worden aangepast."

In recente pogingen om halfgeleider nanodraden te laten groeien met "bijna" willekeurige bandhiaten, het onderzoeksteam onder leiding van Ning en Pan, een assistent-onderzoeksprofessor, hebben een nieuwe benadering gebruikt om een ​​extreem breed scala aan bandgaps te produceren.

Ze legerden twee halfgeleiders, zinksulfide (ZnS) en cadmiumselenide (CdSe) om de quaternaire halfgeleiderlegering ZnCdSSe te produceren, die continu variërende samenstellingen van elementen produceerde op een enkel substraat (een materiaal waarop een circuit wordt gevormd of gefabriceerd).

Ning zegt dat dit de eerste keer is dat een quaternaire halfgeleider is geproduceerd in de vorm van een nanodraad of nanodeeltje.

Door de ruimtelijke variatie van verschillende elementen en de temperatuur van een substraat te regelen (de zogenaamde dual-gradient-methode), het team produceerde lichtemissies die varieerden van 350 tot 720 nanometer op een enkel substraat van slechts enkele centimeters groot.

De kleurspreiding over het substraat kan in grote mate worden gecontroleerd, en Ning zegt dat hij gelooft dat deze methode met twee gradiënten meer in het algemeen kan worden toegepast om andere legeringshalfgeleiders te produceren of het bandafstandbereik van deze legeringen uit te breiden.

Om het gebruik van quaternaire legeringsmaterialen te onderzoeken om fotovoltaïsche cellen efficiënter te maken, zijn team heeft een lateraal ontwerp met meerdere cellen ontwikkeld in combinatie met een dispersieve concentrator.

Het concept van dispersieve concentratie, of spectrale gesplitste concentratie, wordt al tientallen jaren onderzocht. Maar de typische toepassing gebruikt een afzonderlijke zonnecel voor elke golflengteband.

Met de nieuwe materialen Ning hoopt een monolithische laterale supercel te bouwen die meerdere parallelle subcellen bevat, elk geoptimaliseerd voor een bepaalde golflengteband. De meerdere subcellen kunnen het volledige zonnespectrum absorberen. Dergelijke zonnecellen zullen een extreem hoog rendement kunnen behalen met lage fabricagekosten. Het team werkt aan zowel het ontwerp als de fabricage van dergelijke zonnecellen.

evenzo, de nieuwe nanodraden van quaternaire legering met een groot golflengtebereik kunnen worden onderzocht voor lichttoepassingen met kleurtechnologie.

De onderzoekers hebben aangetoond dat kleurcontrole door middel van legeringssamenstellingscontrole kan worden uitgebreid tot twee ruimtelijke dimensies, een stap dichter bij kleurontwerp voor directe opwekking van wit licht of voor kleurendisplays.