(Phys.org) -Stel je een veld van kleine draden voor - die in de aandacht staan ​​als een klein tarweveld - die de zonnestralen verzamelen als de eerste stap in de omzetting van zonne-energie.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben nieuwe prestatieniveaus bereikt voor zaadvrije en substraatvrije arrays van nanodraden van materiaalklasse III-V (drie-vijf) direct op grafeen. Deze samengestelde halfgeleiders zijn bijzonder veelbelovend voor toepassingen met licht, zoals zonnecellen of lasers.

"In de laatste twee decennia, onderzoek op het gebied van halfgeleider-nanodraden heeft geholpen ons begrip van kristalassemblage op atomaire schaal te hervormen en nieuwe fysieke verschijnselen op nanometerschaal aan het licht te brengen, " legde Xiuling Li uit, een professor in elektrische en computertechniek in Illinois. In het nummer van 20 maart van Geavanceerde materialen , de onderzoekers presenteren het eerste rapport van een nieuwe zonnecelarchitectuur op basis van dichte arrays van coaxiale pn-junctie InGaAs-nanodraden op InAs-stengels die direct op grafeen zijn gegroeid zonder metaalkatalysatoren of lithografische patronen.

"In dit werk, we hebben de verrassende structuur (fase-segregatie) overwonnen en met succes enkelfasige InGaAs gekweekt en zeer veelbelovende zonnecelprestaties aangetoond, ", verklaarde postdoctoraal onderzoeker Parsian Mohseni, eerste auteur van de studie.

"Afhankelijk van de materialen, nanodraden kunnen worden gebruikt voor functionele elektronica en opto-elektronica, Mohseni voegde toe. "De belangrijkste voordelen van dit III-V fotovoltaïsche zonnecelontwerp zijn dat het vrij goedkoop is, substraatvrij, en heeft een ingebouwd achtercontact, terwijl het bevorderlijk is voor integratie binnen andere flexibele apparaatplatforms."

Li's onderzoeksgroep gebruikt een methode genaamd van der Waals epitaxie om nanodraden van onder naar boven op een tweedimensionaal vel te laten groeien, in dit geval, grafeen. Gassen die gallium bevatten, indium, en arseen worden in een kamer gepompt waar de grafeenplaat zit, de nanodraden zelf-assembleren, vanzelf uitgroeien tot een dicht tapijt van verticale draden over het oppervlak van het grafeen.

In hun eerdere werk ( Nano-letters 2013) met behulp van een grafeenblad, de onderzoekers ontdekten dat InGaAs-draden die op grafeen zijn gegroeid spontaan uiteenvallen in een indiumarsenide (InAs) kern met een InGaAs-schil rond de buitenkant van de draad. Om de efficiëntie van de materialen voor de omzetting van zonne-energie te verbeteren, de onderzoekers omzeilden de unieke van der Waals-epitaxie geïnduceerde spontane fase-segregatie door er InAs-segmenten tussen in te voegen. De resulterende ternaire InGaAs NW-arrays zijn verticaal, niet taps toelopend, controleerbaar in grootte, hoogte, en doping, en breed afstembaar in samenstelling, dus energie voor monolithische heterogene integratie met 2D van der Waals-platen inclusief grafeen.

Onder luchtmassa 1.5 globale zonneverlichting, de kern-shell In _0,25 Ga _0,75 als (E _G ~ 1,1 eV) nanodraadarrays op grafeen tonen een conversie-efficiëntie van 2,51 %, een nieuw record voor substraatvrij, III-V NW-gebaseerde zonnecellen.

"Hoewel InGaAs verre van het optimale bandgapmateriaal is voor hoogrenderende zonnecellen, de directe epitaxie op het grafeenplatform dat hier is gevestigd, heeft belangrijke implicaties voor een breed scala aan op grafeen gebaseerde zonnecellen op basis van III-V-verbinding halfgeleider NW, evenals light emitters en multi-junction tandem zonnecellen, die allemaal kunnen worden vrijgegeven voor flexibele toepassingen, ' zei Li.