(Phys.org) -- Onderzoekers die elektriciteit opwekken door middel van fotovoltaïsche energie willen zoveel mogelijk van de golflengten van de zon omzetten om maximale efficiëntie te bereiken. Anders, ze eten slechts een klein deel van een geschoten eend:tijd en geld verspillen door slechts een klein beetje van de binnenkomende energieën van de zon te gebruiken.

Om deze reden, zij zien indium-galliumnitride als een waardevol toekomstig materiaal voor fotovoltaïsche systemen. Door de concentratie van indium te veranderen, kunnen onderzoekers de reactie van het materiaal afstemmen, zodat het zonne-energie van verschillende golflengten verzamelt. Hoe meer variaties in het systeem worden ontworpen, hoe meer van het zonnespectrum kan worden geabsorbeerd, wat leidt tot een hogere efficiëntie van zonnecellen. Silicium, de huidige fotovoltaïsche industriestandaard, is beperkt in het golflengtebereik dat het kan ‘zien’ en absorberen.

Maar er is een probleem:indium gallium nitride, onderdeel van een familie van materialen genaamd III-nitriden, wordt meestal gekweekt op dunne films van galliumnitride. Omdat atomaire lagen van galliumnitride verschillende kristalroosterafstanden hebben van atomaire lagen van indiumgalliumnitride, de mismatch leidt tot structurele spanning die zowel de laagdikte als het percentage indium dat kan worden toegevoegd, beperkt. Dus, verhoging van het percentage toegevoegd indium verbreedt het zonnespectrum dat kan worden opgevangen, maar vermindert het vermogen van het materiaal om de belasting te verdragen.

Sandia National Laboratories-wetenschappers Jonathan Wierer Jr. en George Wang rapporteerden in het tijdschrift Nanotechnology dat als het indiummengsel wordt gekweekt op een falanx van nanodraden in plaats van op een plat oppervlak, de kleine oppervlaktegebieden van de nanodraden zorgen ervoor dat de indiumschillaag gedeeltelijk langs elke draad kan "ontspannen", spanning verlichten. Door deze versoepeling kon het team een ​​nanodraad-zonnecel maken met indiumpercentages van ongeveer 33 procent, hoger dan enige andere gerapporteerde poging om III-nitride-zonnecellen te maken.

Deze eerste poging verlaagde ook de absorptiebasisenergie van 2,4 eV naar 2,1 eV, de laagste van alle III-nitride zonnecellen tot nu toe, en maakte een breder scala aan golflengten beschikbaar voor stroomconversie. De efficiëntie van de stroomconversie was laag - slechts 0,3 procent vergeleken met een standaard commerciële cel die zo'n 15 procent zoemt - maar de demonstratie vond plaats op onvolmaakte nanowire-array-sjablonen. Verfijningen moeten leiden tot hogere efficiënties en zelfs lagere energieën.

Er werden verschillende unieke technieken gebruikt om de zonnecel met III-nitride nanodraadarray te maken. Een top-down fabricageproces werd gebruikt om de nanodraadarray te creëren door een galliumnitride (GaN) -laag te maskeren met een colloïdaal silicamasker, gevolgd door droog en nat etsen. De resulterende array bestond uit nanodraden met verticale zijwanden en van uniforme hoogte.

Volgende, schillagen die het hogere indiumpercentage van indiumgalliumnitride (InGaN) bevatten, werden gevormd op de GaN-nanodraadsjabloon via metaal-organische chemische dampafzetting. als laatste, In0.02Ga0.98N werd gekweekt, op zo'n manier dat de nanodraden samensmolten. Dit proces produceerde een luifellaag aan de bovenkant, eenvoudige vlakke verwerking mogelijk maken en de technologie maakbaar maken.

De resultaten, zegt Wier, hoewel bescheiden, vormen een veelbelovende weg voorwaarts voor onderzoek naar III-nitride zonnecellen. De nano-architectuur maakt niet alleen een hoger indiumgehalte in de InGaN-lagen mogelijk, maar ook een verhoogde absorptie via lichtverstrooiing in de gefacetteerde InGaN-luifellaag, evenals luchtholtes die het licht binnen de nanodraadarray geleiden.