Een verslag, gepubliceerd in de editie van 14 maart van de Tijdschrift voor materiaalchemie , kondigde de succesvolle fabricage en testen aan van een nieuw type zonnecel met behulp van een anorganische kern/schil nanodraadstructuur.

Arrays van kern / schaal nanodraden (beschreven als "quantum coaxiale kabels") waren eerder getheoretiseerd als een potentiële structuur die, terwijl samengesteld uit chemisch stabielere anorganische materialen met grote bandgap, moet ook in staat zijn om het brede bereik van de in zonlicht aanwezige golflengten te absorberen. Halfgeleiders met een hoge bandgap worden over het algemeen niet effectief geacht in het absorberen van de meeste beschikbare golflengten in zonnestraling zelf. Bijvoorbeeld, zinkoxide met een hoge bandgap (ZnO) is transparant in het zichtbare maar absorberend in het ultraviolette bereik, en wordt dus veel gebruikt in zonnebrandmiddelen, maar werd niet als nuttig beschouwd in zonnecellen.

In het rapport, een team van onderzoekers van de Xiamen University in China en de University of North Carolina in Charlotte beschrijft met succes het creëren van zinkoxide (ZnO) nanodraden met een zinkselenide (ZnSe) coating om een ​​materiaalstructuur te vormen die bekend staat als een type II heterojunctie die een significante lagere bandgap dan een van de originele materialen. Het team meldde dat arrays van de gestructureerde nanodraden vervolgens in staat waren om licht van de zichtbare en nabij-infrarode golflengten te absorberen, en tonen het potentiële gebruik van materialen met een brede bandgap voor een nieuw soort betaalbare en duurzame zonnecel.

"Materialen met een hoge bandgap zijn doorgaans chemisch stabieler dan de halfgeleiders met een lagere bandgap die we momenteel hebben, " merkte teamlid Yong Zhang op, een Bissell Distinguished Professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering en in het Energy Production and Infrastructure Center (EPIC) aan de Universiteit van North Carolina in Charlotte.

"En deze nanodraadstructuren kunnen worden gemaakt met behulp van een zeer goedkope technologie, met behulp van een chemische dampafzetting (CVD) techniek om de array te laten groeien, "voegde hij eraan toe. "Ter vergelijking, zonnecellen die silicium en galliumarsenide gebruiken, vereisen duurdere productietechnieken."

Gebaseerd op een concept gepubliceerd in Nano Letters in 2007 door Zhang en medewerkers Lin-Wang Wang (Lawrence Berkeley National Laboratory) en Angelo Mascarenhas (National Renewable Energy Laboratory), de array is vervaardigd door Zhangs huidige medewerkers Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiang Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li en Junyong Kang van het Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications in de Department of Physics aan de Universiteit van Xiamen, China.

Eerdere pogingen om materialen met een hoge bandafstand te gebruiken, gebruikten de halfgeleiders niet echt om licht te absorberen, maar betroffen ze in plaats daarvan met organische moleculen (kleurstoffen) die de foto-absorptie bewerkstelligden en eenvoudig elektronen naar het halfgeleidermateriaal brachten. In tegenstelling tot, de heterojunctie-nanodraden van het team absorberen het licht direct en geleiden efficiënt een stroom door "coaxiale" draden van nanoformaat, die ladingen scheiden door de aangeslagen elektronen in de zinkoxidekernen van de draden en de "gaten" in de zinkselenideschillen te plaatsen.

"Door een speciale heterojunctie-architectuur te maken op nanoschaal, we maken ook coaxiale nanodraden die goed zijn voor de geleidbaarheid, "zei Zhang. "Zelfs als je een goede lichtabsorptie hebt en je elektron-gatparen creëert, je moet ze naar het circuit kunnen brengen om stroom te krijgen, dus we moeten een goede geleidbaarheid hebben. Deze coaxiale nanodraden zijn vergelijkbaar met de coaxkabel in de elektrotechniek. Dus eigenlijk hebben we twee geleidende kanalen - het elektron gaat de ene kant op in de kern en het gat gaat de andere kant op in de schaal."

De nanodraden zijn gemaakt door eerst een reeks zeszijdige zinkoxidekristal "draden" te laten groeien uit een dunne film van hetzelfde materiaal met behulp van dampafzetting. De techniek creëerde een woud van gladde naaldachtige zinkoxidekristallen met uniforme diameters (40 tot 80 nanometer) langs hun lengte (ongeveer 1,4 micrometer). Een wat ruwere zinkselenideschil werd vervolgens afgezet om alle draden te coaten. Eindelijk, een indiumtinoxide (ITO) film werd gehecht aan de zinkselenidecoating, en een indiumsonde was verbonden met de zinkoxidefilm, contacten maken voor elke stroom die door de cel wordt gegenereerd.

"We hebben het apparaat gemeten en toonden aan dat de fotoresponsdrempel 1,6 eV was, "Zhang zei, opmerkend dat de cel dus effectief was in het absorberen van lichtgolfgolflengten van het ultraviolet tot het nabije infrarood, een bereik dat het grootste deel van de zonnestraling dekt die het aardoppervlak bereikt.

Hoewel het gebruik van de nanodraden voor het absorberen van lichtenergie een belangrijke innovatie is, misschien nog belangrijker is het succes van de onderzoekers bij het gebruik van stabiele anorganische halfgeleidermaterialen met een hoge bandgap voor een goedkoop maar effectief apparaat voor zonne-energie.

"Dit is een nieuw mechanisme, aangezien deze materialen voorheen niet direct bruikbaar werden geacht voor zonnecellen, "Zei Zhang. Hij benadrukte dat de toepassingen voor het concept daar niet eindigen, maar de deur openen om een ​​groter aantal halfgeleidermaterialen met een hoge bandgap te overwegen met zeer gewenste materiaaleigenschappen voor verschillende toepassingen in verband met zonne-energie, zoals waterstofgeneratie door foto-elektrochemische watersplitsing.

"Het uitgebreide gebruik van heterostructuren op nanoschaal van type II breidt hun gebruik ook uit voor andere toepassingen, zoals fotodetectoren - in het bijzonder IR-detectoren, " hij merkte.