Recente studies hebben aangetoond dat halfgeleider nanodraden unieke voordelen bieden voor een breed scala aan toepassingen. Een door de EU gefinancierd project is baanbrekend in de richting van duurzame en efficiënte energiewinning door gebruik te maken van de ongebruikelijke eigenschappen van deze kleine maar sterk gecontroleerde structuren.

Met radicaal nieuwe technologieën die de manier veranderen waarop elektriciteit wordt opgewekt en gebruikt, een van de belangrijkste kwesties zal zijn om de efficiëntie te verhogen en de kosten van de geproduceerde energie te verlagen.

Nanotechnologie opent fundamenteel nieuwe wegen om de bovengenoemde uitdagingen aan te gaan. Vooral, halfgeleider nanodraden worden geprezen als een revolutionair supermateriaal dat de kostenefficiëntie kan verhogen, terwijl de hoeveelheid materiaal die nodig is voor energieomzetting wordt verminderd.

Aangespoord door het opwindende potentieel van nanodraden, onderzoekers hebben het PHD4ENERGY-project opgezet. Het project bood de mogelijkheid aan 12 Ph.D. studenten om gezamenlijk interdisciplinair onderzoek uit te voeren op het gebied van nanowetenschappen.

Multi-junction zonnecellen, fosforvrije LED's

Over de laatste jaren, onderzoek naar halfgeleider-nanodraden heeft bijgedragen aan een beter begrip van de structuur op atomaire schaal en heeft nieuwe fysieke verschijnselen op nanometerschaal onthuld. “Halfgeleider nanodraden bieden de mogelijkheid om materialen eenvoudig te combineren in epitaxiale groei. dit geeft meer vrijheid in materiaalkeuze bij het ontwerpen van multi-junctions of heterostructuren in tegenstelling tot vlakke apparaten en zou dus kunnen leiden tot hogere efficiëntie in eenvoudigere structuren, " merkt professor Linke Heiner op.

"Microscheuren die worden gevormd in vlakke zonnecelmodules wanneer materialen niet in elkaar passen, zijn een van de belangrijkste bronnen van energieverliezen, " legt Heiner verder uit. Andere voordelen bij het gebruik van nanodraden zijn de mogelijkheid om hun interactie met licht te verfijnen. Nanostructuren zijn efficiënte lichtabsorbeerders en kunnen fungeren als 'antennes', veel meer licht oogsten en daardoor veel minder materiaal kunnen gebruiken, verduurzaming vergroten. Het feit dat ze licht van om hen heen kunnen aantrekken, maakt de weg vrij voor grootschalige fotovoltaïsche energie met slechts een fractie van het materiaal.

Gebruikmakend van de kleine diameter en cilindrische geometrie van kleine draden gemaakt van III-V-halfgeleiders, het projectteam heeft met succes unieke apparaatstructuren ontworpen, zoals axiale en radiale heterojuncties. Het voordeel van deze aanpak is dat de geleidende eigenschappen kunnen worden gemoduleerd over de lengte of over de straal van de nanodraad. Een andere belangrijke prestatie op weg naar zeer efficiënte, op nanodraad gebaseerde multi-junction zonnecellen omvatten het ontwerp van nanodraadtunneldiodes die bekend staan ​​als Esaki-diodes voor gebruik in tandemzonnecellen.

Een belangrijk deel van hun werk was gericht op het ontwerpen van LED-structuren ter grootte van nanometers. Voor zichtbaar licht LED's, de III-nitriden - indium galliumnitride - zijn zeer geschikt met bandhiaten in het zichtbare bereik van foton-energieën. Deze fosforvrije LED's hielpen bij het bereiken van lichtemissie met een langere golflengte voor wit licht.

Onderzoekers hebben ook grondige studies uitgevoerd naar voordelige thermo-elektrische eigenschappen van nanodraad. Bijvoorbeeld, ze toonden voor het eerst in een experiment aan dat warmte kan worden omgezet in elektriciteit met een elektronisch rendement dat vergelijkbaar is met dat van geoptimaliseerde elektriciteitscentrales.

In lock-step met alle bovenstaande toepassingsgerichte activiteiten, de Ph.D. studenten verkenden ook de veiligheid van hun nanodraden, controleren op mogelijke toxiciteit.

PHD4ENERGY onderzocht nieuwe concepten en technologieën die de weg wijzen naar de ontwikkeling van fotovoltaïsche systemen van de volgende generatie en efficiënte lichtbronnen. Met focus op de inzetbaarheidsperspectieven van promovendi, het project bevorderde de samenwerking tussen studenten en de industrie door middel van een trainingsprogramma aan de universiteit van Lund.

Een groot succes was ook de Ph.D.4Energy Summer School 2016 over energieomzetters op nanoschaal, waar uitstekende en internationaal zichtbare uitgenodigde docenten aanwezig waren. Dit werd bijgewoond door een groot aantal afstudeerders en postdocs.