Kleine draden kunnen ingenieurs helpen bij het realiseren van hoogwaardige zonnecellen en andere elektronica, volgens onderzoekers van de Universiteit van Illinois.

De onderzoeksgroep, onder leiding van professor elektrotechniek en computertechniek Xiuling Li, een techniek ontwikkeld om samengestelde halfgeleider nanodraden op siliciumwafels te integreren, het overwinnen van belangrijke uitdagingen in de productie van apparaten. Het team publiceerde zijn resultaten in het tijdschrift Nano-letters .

Halfgeleiders in de III-V (uitgesproken als drie-vijf) groep zijn veelbelovend voor apparaten die licht veranderen in elektriciteit en vice versa, zoals hoogwaardige zonnecellen of lasers. Echter, ze integreren niet naadloos met silicium, wat een probleem is, aangezien silicium het meest alomtegenwoordige apparaatplatform is. Elk materiaal heeft een specifieke afstand tussen de atomen in het kristal, bekend als de roosterconstante.

"De grootste uitdaging was dat III-V-halfgeleiders en silicium niet dezelfde roosterconstanten hebben, " zei Li. "Ze kunnen niet op een eenvoudige manier op elkaar worden gestapeld zonder dislocaties te veroorzaken, die kunnen worden gezien als scheuren op atomaire schaal."

Als de kristalroosters niet op één lijn liggen, er is een mismatch tussen de materialen. Onderzoekers deponeren gewoonlijk III-V-materialen bovenop siliciumwafels in een dunne film die de wafel bedekt, maar de mismatch veroorzaakt spanning en introduceert defecten, verslechtering van de prestaties van het apparaat.

In plaats van een dunne film, het team uit Illinois kweekte een dicht opeengepakte reeks nanodraden, kleine strengen van III-V-halfgeleider die verticaal uit de siliciumwafel groeien.

"De nanodraadgeometrie biedt veel meer vrijheid van roosteraanpassingsbeperkingen door de mismatch-spanningsenergie lateraal door de zijwanden te dissiperen, ' zei Li.

De onderzoekers vonden voorwaarden voor het kweken van nanodraden van verschillende samenstellingen van het III-V halfgeleider indium galliumarsenide. Hun methodologie heeft de voordelen van het gebruik van een gemeenschappelijke groeitechniek zonder de noodzaak van speciale behandelingen of patronen op de siliciumwafel of de metaalkatalysatoren die vaak nodig zijn voor dergelijke reacties.

De nanodraadgeometrie biedt het extra voordeel dat de prestaties van de zonnecel worden verbeterd door een grotere lichtabsorptie en efficiëntie voor het verzamelen van dragers. De nanodraadbenadering gebruikt ook minder materiaal dan dunne films, het verminderen van de kosten.

"Dit werk vertegenwoordigt het eerste rapport over ternaire halfgeleider nanodraadarrays gekweekt op siliciumsubstraten, die echt epitaxiaal zijn, controleerbaar in grootte en doping, hoge aspectverhouding, niet taps toelopend, en breed afstembaar in energie voor praktische apparaatintegratie, " zei Li, die is aangesloten bij het Micro- en Nanotechnologielaboratorium, het Frederick Seitz Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I.

Li gelooft dat de nanodraadbenadering breed kan worden toegepast op andere halfgeleiders, het inschakelen van andere toepassingen die zijn afgeschrikt door zorgen over mismatch. Volgende, Li en haar groep hopen binnenkort op nanodraad gebaseerde multi-junction tandem-zonnecellen met hoge kwaliteit en efficiëntie te demonstreren.