Zonlicht vertegenwoordigt de schoonste, groenste en verreweg de meest voorkomende van alle energiebronnen, en toch blijft het potentieel ervan hopeloos onderbenut. Hoge kosten zijn een belangrijk afschrikmiddel geweest voor de grootschalige toepassingen van op silicium gebaseerde zonnecellen. Nanopijlers – dicht opeengepakte arrays van optisch actieve halfgeleiders op nanoschaal – hebben potentieel aangetoond voor het leveren van een volgende generatie relatief goedkope en schaalbare zonnecellen, maar werden gehinderd door efficiëntieproblemen. Het verhaal van de nanopijler, echter, heeft een nieuwe wending genomen en de toekomst voor deze materialen ziet er nu rooskleuriger uit dan ooit.

"Door de vorm en geometrie van sterk geordende nanopillar-arrays van germanium of cadmiumsulfide af te stemmen, we hebben de optische absorptie-eigenschappen van onze nanopilaren drastisch kunnen verbeteren, " zegt Ali Javey, een chemicus die gezamenlijke afspraken heeft met het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California (UC) in Berkeley.

Javey, een faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een UC Berkeley-hoogleraar elektrotechniek en informatica, loopt voorop in het onderzoek naar nanopijlers. Hij en zijn groep waren de eersten die een techniek demonstreerden waarmee cadmiumsulfide-nanopilaren in massaproductie kunnen worden genomen in grootschalige flexibele modules. In dit nieuwste werk ze waren in staat om nanopilaren te produceren die licht even goed of zelfs beter absorberen dan commerciële dunnefilmzonnecellen, met veel minder halfgeleidermateriaal en zonder de noodzaak van een antireflectiecoating.

"Om de breedband optische absorptie-efficiëntie van onze nanopilaren te verbeteren, hebben we een nieuwe structuur met dubbele diameter gebruikt met een tip met een kleine (60 nanometer) diameter en minimale reflectie om meer licht binnen te laten, en een grote (130 nanometer) diameter basis voor maximale absorptie zodat meer licht kan worden omgezet in elektriciteit, ' zegt Javey. "Deze structuur met dubbele diameter absorbeerde 99 procent van het invallende zichtbare licht, vergeleken met de absorptie van 85 procent door onze eerdere nanopilaren, die over hun hele lengte dezelfde diameter hadden.”

Theoretische en experimentele werken hebben aangetoond dat 3D-arrays van halfgeleider-nanopilaren - met een goed gedefinieerde diameter, lengte en toonhoogte – blinkt uit in het opvangen van licht en gebruikt minder dan de helft van het halfgeleidermateriaal dat nodig is voor dunnefilmzonnecellen gemaakt van samengestelde halfgeleiders, zoals cadmiumtelluride, en ongeveer één procent van het materiaal dat in zonnecellen wordt gebruikt, is gemaakt van bulksilicium. Maar tot het werk van Javey en zijn onderzoeksgroep, het vervaardigen van dergelijke nanopijlers was een complexe en omslachtige procedure.

Javey en zijn collega's maakten hun nanopilaren met dubbele diameter van mallen die ze maakten in 2,5 millimeter dikke aluminiumoxidefolie. Een anodisatieproces in twee stappen werd gebruikt om een ​​reeks van één micrometer diepe poriën in de mal te creëren met dubbele diameters:smal aan de bovenkant en breed aan de onderkant. Gouddeeltjes werden vervolgens in de poriën afgezet om de groei van de halfgeleider-nanopilaren te katalyseren.

"Dit proces maakt nauwkeurige controle over de geometrie en vorm van de monokristallijne nanopillar-arrays mogelijk, zonder het gebruik van complexe epitaxiale en/of lithografische processen, ' zegt Javey. “Op een hoogte van slechts twee micron, onze nanopillar-arrays waren in staat om 99 procent van alle fotonen te absorberen, variërend in golflengten tussen 300 en 900 nanometer, zonder afhankelijk te zijn van antireflectiecoatings.”

De germanium-nanopilaren kunnen worden afgestemd om infraroodfotonen te absorberen voor zeer gevoelige detectoren, en de cadmiumsulfide/telluride-nanopilaren zijn ideaal voor zonnecellen. De fabricagetechniek is zo generiek, Javey zegt, het kan ook worden gebruikt met tal van andere halfgeleidermaterialen voor specifieke toepassingen. Onlangs, hij en zijn groep toonden aan dat het dwarsdoorsnedegedeelte van de nanopillar-arrays ook kan worden afgestemd om specifieke vormen aan te nemen - vierkant, rechthoek of cirkel – gewoon door de vorm van de sjabloon te veranderen.

"Dit biedt nog een andere mate van controle over de optische absorptie-eigenschappen van nanopilaren, ' zegt Javey.

Javey's onderzoek naar nanopijlers met dubbele diameter werd gedeeltelijk gefinancierd via het Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS) van de National Science Foundation en via LDRD-fondsen van Berkeley Lab.