Veranderingen op atoomniveau in nanodraden bieden enorme mogelijkheden voor verbetering van zonnecellen en LED-licht. NTNU-onderzoekers hebben ontdekt dat door een kleine spanning op enkele nanodraden af ​​te stemmen, ze effectiever kunnen worden in LED's en zonnecellen.

NTNU-onderzoekers Dheeraj Dasa en Helge Weman hebben, in samenwerking met IBM, ontdekte dat galliumarsenide met een kleine spanning kan worden afgestemd om efficiënt te functioneren als een enkele lichtemitterende diode of een fotodetector. Dit wordt mogelijk gemaakt door de speciale hexagonale kristalstructuur, wurtziet genoemd, die de NTNU-onderzoekers hebben weten te kweken in het MBE-lab van NTNU. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week.

De afgelopen jaren zijn er belangrijke doorbraken geweest in het onderzoek naar nanodraad en grafeen bij NTNU. In 2010, Hoogleraren Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland en Ton van Helvoort en hun academische groep gingen naar de beurs met hun eerste baanbrekende ontdekkingen in het veld.

De onderzoekers, die gespecialiseerd zijn in het kweken van nanodraden, was erin geslaagd een verandering in de kristalstructuur tijdens nanodraadgroei te beheersen. Door de kristalstructuur in een stof te veranderen, d.w.z. het veranderen van de posities van de atomen, de stof kan geheel nieuwe eigenschappen krijgen. De NTNU-onderzoekers ontdekten hoe ze de kristalstructuur kunnen veranderen in nanodraden gemaakt van galliumarsenide en andere halfgeleiders.

Met dat, de basis werd gelegd voor efficiëntere zonnecellen en leds.

"Onze ontdekking was dat we de structuur konden manipuleren, atoom voor atoom. We waren in staat om de atomen te manipuleren en de kristalstructuur te veranderen tijdens de groei van de nanodraden. Dit opende voor enorme nieuwe mogelijkheden. We waren een van de eersten ter wereld die een nieuw galliumarsenidemateriaal konden maken met een andere kristalstructuur, ", zegt Helge Weman van de afdeling Elektronica en Telecommunicatie.

Dit proces bestaat ook in de natuur. Bijvoorbeeld, diamant en grafiet - de laatste wordt gebruikt als de "lood" in potloden - zijn samengesteld uit dezelfde koolstofatomen. Maar hun kristalstructuren zijn anders.

En nu, onderzoekers kunnen ook de structuur van nanodraden op atoomniveau veranderen.

grafeen, het supermateriaal

Het volgende grote nieuws kwam in 2012. Op dat moment, de onderzoekers waren erin geslaagd om halfgeleider nanodraden te laten groeien op het supermateriaal grafeen. Grafeen is het dunste en sterkste materiaal ooit gemaakt. Deze ontdekking werd beschreven als een revolutie in de ontwikkeling van zonnecellen en LED-componenten.

Overuren, grafeen kan silicium vervangen als onderdeel van elektronische schakelingen. Vandaag, silicium wordt gebruikt voor de productie van zowel elektronica als zonnecellen. Grafeen geleidt elektriciteit 100 keer sneller dan silicium, en is slechts één atoom dik, terwijl een siliciumwafel normaal gesproken miljoenen keren dikker is. Grafeen zal over een paar jaar waarschijnlijk ook goedkoper zijn dan silicium.

De onderzoeksgroep heeft internationaal veel aandacht gekregen voor de grafeenmethode. Helge Weman en zijn NTNU-medeoprichters Bjørn-Ove Fimland en Dong-Chul Kim hebben het bedrijf CrayoNano AS opgericht, werken met een gepatenteerde uitvinding die halfgeleider nanodraden laat groeien op grafeen. De methode wordt moleculaire bundelepitaxie (MBE) genoemd, en het hybride materiaal heeft goede elektrische en optische eigenschappen.

"We laten zien hoe we grafeen kunnen gebruiken om veel effectievere en flexibelere elektronische producten te maken. aanvankelijk zonnecellen en witte lichtdioden (LED). De toekomst biedt veel meer geavanceerde toepassingen, ' zegt Weman.

Zeer effectieve zonnecellen

"Ons doel is om zonnecellen te maken die effectiever zijn dan wanneer ze gemaakt zijn met dunnefilmtechnologie, benadrukt Weman.

Dunne filmtechnologie is een term uit de zonneceltechnologie. Deze technologie ontwikkelt superdunne zonnecelpanelen, waarbij de actieve laag die zonlicht omzet in elektriciteit een dikte heeft van niet meer dan drie micrometer, d.w.z. drieduizenden van een millimeter. Het lage gewicht maakt gemakkelijk transport mogelijk, installatie en onderhoud van de zonnecellen, en ze kunnen in de praktijk worden uitgerold zoals dakleer op de meeste gebouwen.

Nutsvoorzieningen, de combinatie van nanodraden en grafeen maakt veel bredere en flexibelere zonnecellen mogelijk.

In dunne films zoals galliumarsenide, de atomen zijn kubisch in een vaste, voorgedefinieerde structuur. Wanneer de onderzoekers de atoomstructuur in de nanodraad manipuleren, ze kunnen zowel kubische als hexagonale kristalstructuren laten groeien. De verschillende structuren hebben totaal verschillende eigenschappen, bijvoorbeeld als het gaat om optische eigenschappen.

nieuwe ontdekkingen, nieuwe mogelijkheden

De onderzoeksgroep heeft de afgelopen jaren onder andere, bestudeerde de unieke hexagonale kristalstructuur in de GaAs-nanodraden.

"In samenwerking met IBM, we hebben nu ontdekt dat als we deze nanodraden uitrekken, ze functioneren vrij goed als lichtemitterende diodes. Ook, als we op de nanodraden drukken, ze werken vrij goed als fotodetectoren. Dit wordt mogelijk gemaakt door de hexagonale kristalstructuur, wurtziet genoemd. Het maakt het voor ons gemakkelijker om de structuur te veranderen om het optische effect voor verschillende toepassingen te optimaliseren.

"Het geeft ons ook een veel beter begrip, waardoor we de nanodraden kunnen ontwerpen met een ingebouwde drukspanning, bijvoorbeeld om ze effectiever te maken in een zonnecel. Hiermee kunnen bijvoorbeeld verschillende druksensoren worden ontwikkeld, of om elektrische energie te oogsten wanneer de nanodraden worden gebogen, ’ legt Weman uit.

Vanwege dit nieuwe vermogen om de kristalstructuur van de nanodraden te manipuleren, het is mogelijk om zeer effectieve zonnecellen te maken die een hoger elektrisch vermogen produceren. Ook, het feit dat CrayoNano nu nanodraden kan kweken op superlicht, sterk en flexibel grafeen, maakt de productie van zeer flexibele en lichtgewicht zonnecellen mogelijk.

De CrayoNano-groep gaat nu ook galliumnitride-nanodraden telen voor gebruik in witte lichtdioden.

"Een van onze doelstellingen is om galliumnitride-nanodraden te maken in een nieuw geïnstalleerde MBE-machine bij NTNU om lichtemitterende diodes te maken met betere optische eigenschappen - en ze te laten groeien op grafeen om ze flexibel te maken, lichtgewicht en sterk."