(PhysOrg.com) -- Zonnecellen of fotovoltaïsche cellen vertegenwoordigen een van de best mogelijke technologieën voor het leveren van een absoluut schone en vrijwel onuitputtelijke energiebron om onze beschaving van stroom te voorzien. Echter, om deze droom te realiseren, zonnecellen moeten worden gemaakt van goedkope elementen met behulp van goedkope, minder energie-intensieve proceschemie, en ze moeten zonlicht efficiënt en kostenconcurrerend omzetten in elektriciteit. Een team van onderzoekers met het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft nu twee van de drie van deze vereisten aangetoond met een veelbelovende start op de derde.

Peidong Yang, een chemicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, leidde de ontwikkeling van een op oplossingen gebaseerde techniek voor het vervaardigen van kern/schil nanodraad-zonnecellen met behulp van de halfgeleiders cadmiumsulfide voor de kern en kopersulfide voor de schaal. Deze goedkope en gemakkelijk te maken nanodraad-zonnecellen hadden een nullastspanning en vulfactorwaarden die superieur waren aan conventionele vlakke zonnecellen. Samen, de nullastspanning en vulfactor bepalen de maximale energie die een zonnecel kan produceren. In aanvulling, de nieuwe nanodraden vertoonden ook een energieconversie-efficiëntie van 5,4 procent, wat vergelijkbaar is met vlakke zonnecellen.

"Dit is de eerste keer dat een op oplossingen gebaseerde kation-uitwisselingschemietechniek is gebruikt voor de productie van hoogwaardige monokristallijne cadmiumsulfide/kopersulfidekern/schil nanodraden, " zegt Yang. "Onze prestatie, samen met de verhoogde lichtabsorptie die we eerder hebben aangetoond in nanodraadarrays door middel van lichtopsluiting, geeft aan dat kern/schil nanodraden echt veelbelovend zijn voor toekomstige zonneceltechnologie."

Yang, die een gezamenlijke aanstelling heeft met de University of California (UC) Berkeley, is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt gerapporteerd en dat verschijnt in het tijdschrift Nature Nanotechnology. Het artikel is getiteld "Solution-processed core-shell nanodraden voor efficiënte fotovoltaïsche cellen." Co-auteur van dit artikel met Yang waren Jinyao Tang, Ziyang Huo, Sarah Brittman en Hanwei Gao.

Typische zonnecellen van tegenwoordig zijn gemaakt van ultrazuivere monokristallijne siliciumwafels die ongeveer 100 micrometer dik van dit zeer dure materiaal nodig hebben om genoeg zonnelicht te absorberen. Verder, het hoge niveau van kristalzuivering dat vereist is, maakt de fabricage van zelfs de eenvoudigste op silicium gebaseerde vlakke zonnecel een complex, energie-intensief en kostbaar proces.

Een veelbelovend alternatief zijn halfgeleider-nanodraden - eendimensionale stroken van materialen waarvan de breedte slechts een duizendste van die van een mensenhaar is, maar waarvan de lengte zich kan uitstrekken tot op de millimeterschaal. Zonnecellen gemaakt van nanodraden bieden een aantal voordelen ten opzichte van conventionele vlakke zonnecellen, inclusief betere ladingsscheiding en verzamelmogelijkheden, plus ze kunnen worden gemaakt van overvloedige materialen op aarde in plaats van sterk bewerkt silicium. Daten, echter, de lagere efficiëntie van op nanodraad gebaseerde zonnecellen hebben hun voordelen tenietgedaan.

"In het verleden hebben nanodraad-zonnecellen vulfactoren en nullastspanningen aangetoond die veel lager zijn dan die van hun vlakke tegenhangers, " zegt Yang. "Mogelijke redenen voor deze slechte prestaties zijn onder meer oppervlakterecombinatie en slechte controle over de kwaliteit van de p-n-overgangen wanneer dopingprocessen bij hoge temperatuur worden gebruikt."

In het hart van alle zonnecellen bevinden zich twee afzonderlijke materiaallagen, een met een overvloed aan elektronen die functioneren als een negatieve pool, en een met een overvloed aan elektronengaten (positief geladen energieruimten) die functioneren als een positieve pool. Wanneer fotonen van de zon worden geabsorbeerd, hun energie wordt gebruikt om elektron-gatparen te creëren, die vervolgens worden gescheiden op de pn-overgang - het grensvlak tussen de twee lagen - en verzameld als elektriciteit.

Ongeveer een jaar geleden, werken met silicium, Yang en leden van zijn onderzoeksgroep ontwikkelden een relatief goedkope manier om de vlakke pn-overgangen van conventionele zonnecellen te vervangen door een radiale pn-overgang, waarin een laag n-type silicium een ​​schil vormde rond een p-type silicium nanodraadkern. Deze geometrie veranderde effectief elke afzonderlijke nanodraad in een fotovoltaïsche cel en verbeterde de lichtvangende mogelijkheden van op silicium gebaseerde fotovoltaïsche dunne films aanzienlijk.

Nu hebben ze deze strategie toegepast op de fabricage van kern/schil nanodraden met behulp van cadmiumsulfide en kopersulfide, maar deze keer met behulp van oplossingschemie. Deze kern/schil nanodraden werden bereid met behulp van een op oplossing gebaseerde kation (negatieve ionen) uitwisselingsreactie die oorspronkelijk werd ontwikkeld door chemicus Paul Alivisatos en zijn onderzoeksgroep om kwantumstippen en nanostaafjes te maken. Alivisatos is nu de directeur van Berkeley Lab, en UC Berkeley's Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie.

"De initiële cadmiumsulfide-nanodraden werden gesynthetiseerd door fysiek damptransport met behulp van een damp-vloeistof-vast (VLS) mechanisme in plaats van natte chemie, wat ons materiaal van betere kwaliteit en een grotere fysieke lengte gaf, maar ze kunnen zeker ook worden gemaakt met behulp van een oplossingsproces", zegt Yang. "De als-gegroeide monokristallijne cadmiumsulfide-nanodraden hebben diameters tussen 100 en 400 nanometer en lengtes tot 50 millimeter."

De cadmiumsulfide-nanodraden werden vervolgens ondergedompeld in een oplossing van koperchloride bij een temperatuur van 50 graden Celsius en daar 5 tot 10 seconden bewaard. De kationenuitwisselingsreactie zette de oppervlaktelaag van het cadmiumsulfide om in een kopersulfideschil.

"De op oplossing gebaseerde kationenuitwisselingsreactie biedt ons een gemakkelijke, goedkope methode om hoogwaardige hetero-epitaxiale nanomaterialen te bereiden, " zegt Yang. "Bovendien, het omzeilt de moeilijkheden van dotering en afzetting bij hoge temperatuur voor typische productiemethoden in de dampfase, wat veel lagere fabricagekosten en een betere reproduceerbaarheid suggereert. Het enige dat we echt nodig hebben, zijn bekers en kolven voor dit oplossingsgerichte proces. Er zijn geen van de hoge fabricagekosten die gepaard gaan met gasfase epitaxiale chemische dampafzetting en moleculaire bundelepitaxie, de technieken die tegenwoordig het meest worden gebruikt om halfgeleider nanodraden te fabriceren."

Yang en zijn collega's geloven dat ze de energieconversie-efficiëntie van hun zonnecel-nanodraden kunnen verbeteren door de hoeveelheid kopersulfide-schaalmateriaal te vergroten. Om hun technologie commercieel levensvatbaar te maken, ze moeten een energieconversie-efficiëntie van ten minste tien procent bereiken.