Door een coating aan te brengen op individuele silicium nanodraden, onderzoekers van Harvard en Berkeley hebben de efficiëntie en gevoeligheid van de materialen aanzienlijk verbeterd.

De bevindingen, gepubliceerd op 20 mei 2011, probleem van Nano-letters , suggereren dat de gecoate draden veelbelovend zijn voor fotodetectoren en technologieën voor het oogsten van energie, zoals zonnecellen.

Door een grote oppervlakte-tot-volume verhouding, nanodraden hebben doorgaans last van een hoge oppervlakterecombinatiesnelheid, wat betekent dat fotogegenereerde ladingen recombineren in plaats van te worden verzameld op de terminals. De levensduur van de drager van een basis nanodraad wordt met vier tot vijf ordes van grootte verkort, waardoor de efficiëntie van het materiaal in toepassingen zoals zonnecellen tot enkele procenten wordt teruggebracht.

"Nanodraden hebben het potentieel om hoge energieconversie te bieden tegen lage kosten, maar hun beperkte efficiëntie heeft hen tegengehouden, " zegt Kenneth Crozier, Universitair hoofddocent Elektrotechniek aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Met hun nieuwste werk Crozier en zijn collega's demonstreerden wat een kansrijke oplossing zou kunnen zijn. Precisiemetingen doen op enkele nanodraden gecoat met een amorf siliciumlaagje, het team toonde een dramatische vermindering van de oppervlakterecombinatie.

Oppervlaktepassivering wordt al lang gebruikt om de efficiëntie van siliciumchips te bevorderen. Tot nu, oppervlaktepassivering van nanodraden is veel minder onderzocht.

De creatie van de coating die de oppervlakken van de nanodraden passiveerde, was een gelukkig toeval. Tijdens de voorbereiding van een partij monokristallijne silicium nanodraden, de wetenschappers vermoeden, de kleine gouddeeltjes die werden gebruikt om de nanodraden te laten groeien, raakten uitgeput. Als resultaat, ze denken, de amorfe siliciumcoating werd eenvoudig op de afzonderlijke draden aangebracht.

In plaats van de batch te verlaten, Crozier en zijn team besloten het te testen. Het scannen van fotostroomstudies gaf aan, verbazingwekkend, bijna honderdvoudige vermindering van oppervlakterecombinatie. Algemeen, de gecoate draden hadden een 90-voudige toename in lichtgevoeligheid in vergelijking met niet-gecoate draden.

Co-auteur Yaping Dan, een postdoctoraal fellow in Crozier's lab die de experimenten leidde, suggereert dat de reden voor de verhoogde efficiëntie is dat de coating de gebroken atoombindingen fysiek verlengt op het monokristallijne siliciumoppervlak. Tegelijkertijd, de coating kan ook een hoog-elektrische potentiaalbarrière vormen op het grensvlak, die de fotogegenereerde ladingsdragers in het monokristallijne silicium opsluit.

"Zo ver we weten, wetenschappers hebben dit soort precisiemetingen van oppervlaktepassivering niet gedaan op het niveau van enkele nanodraden, ", zegt Crozier. "Door simpelweg een dunne laag amorf silicium op een kristallijn silicium nanodraad aan te brengen, wordt de oppervlakterecombinatie bijna twee ordes van grootte verminderd. We denken dat het werk enkele van de nadelen van nanodraden zal aanpakken, maar hun voordelen zal behouden."

Door hun langere levensduur van de drager, de onderzoekers verwachten dat hun draden een hogere energieconversie-efficiëntie zullen bieden bij gebruik in zonnecelapparaten.