Un recente progresso dei ricercatori dell'Arizona State University nello sviluppo di nanofili potrebbe portare a celle fotovoltaiche più efficienti per la generazione di energia dalla luce solare, e a migliori diodi a emissione di luce (LED) che potrebbero sostituire le lampadine a incandescenza meno efficienti dal punto di vista energetico.

Gli ingegneri elettrici Cun-Zheng Ning e Alian Pan stanno lavorando per migliorare i materiali dei nanofili semiconduttori in lega quaternaria.

I nanofili hanno un diametro di decine di nanometri e una lunghezza di decine di micron. Le leghe quaternarie sono costituite da semiconduttori a quattro elementi, spesso realizzati legando due o più semiconduttori composti.

I semiconduttori sono la base materiale per tecnologie come celle solari, LED ad alta efficienza per l'illuminazione, e per rivelatori visibili e infrarossi.

Uno dei parametri più critici dei semiconduttori che determinano la fattibilità di queste tecnologie è il band gap. Il band gap di un semiconduttore determina, Per esempio, se una data lunghezza d'onda della luce solare viene assorbita o lasciata invariata dal semiconduttore in una cella solare.

Il band gap determina anche il colore della luce emesso da un LED. Per rendere le celle solari più efficienti, è necessario aumentare il range dei band gap.

Idealmente, la massima efficienza della cella solare si ottiene avendo un'ampia gamma di band gap che corrisponde all'intero spettro solare, spiega Ning, un professore alla Scuola di Elettrica, Ingegneria Informatica ed Energetica, una parte delle scuole di ingegneria Ira A. Fulton dell'ASU.

Nelle applicazioni di illuminazione a LED, lui dice, più bande gap disponibili significano che possono essere emessi più colori, fornendo maggiore flessibilità nell'ingegneria del colore o nella resa cromatica della luce.

Per esempio, diverse proporzioni di rosso, i colori verde e blu si mescolerebbero con diversi colori bianchi. Una maggiore flessibilità consentirebbe di regolare il colore bianco per adattarsi a varie situazioni, o preferenze individuali.

Allo stesso modo, Ning dice, il rilevamento di colori diversi richiede semiconduttori con gap di banda differenti. Più band gap sono disponibili, più informazioni si possono acquisire su un oggetto da rilevare. Così, tutte queste applicazioni di illuminazione possono essere migliorate disponendo di semiconduttori con un'ampia gamma di bande proibite.

I ricercatori dicono che l'ostacolo è che ogni semiconduttore artificiale o naturale ha solo una banda proibita specifica.

Un modo standard per ampliare la gamma di band gap è legare due o più semiconduttori. Regolando la proporzione relativa di due semiconduttori in una lega, è possibile sviluppare nuovi band gap tra quelli dei due semiconduttori.

Ma realizzare ciò richiede una condizione chiamata corrispondenza costante reticolare, che richiede spazi interatomici simili tra due semiconduttori per crescere insieme.

"Questo è il motivo per cui non possiamo coltivare leghe di composizioni arbitrarie per ottenere intervalli di banda arbitrari, "Ning dice. "Questa mancanza di band gap disponibili è uno dei motivi per cui l'attuale efficienza delle celle solari è bassa, e perché non abbiamo colori di illuminazione a LED che possono essere regolati per varie situazioni."

Nei recenti tentativi di far crescere nanocavi semiconduttori con gap di banda "quasi" arbitrari, il gruppo di ricerca guidato da Ning e Pan, un assistente professore di ricerca, hanno utilizzato un nuovo approccio per produrre una gamma estremamente ampia di band gap.

Hanno legato due semiconduttori, solfuro di zinco (ZnS) e seleniuro di cadmio (CdSe) per produrre la lega semiconduttrice quaternaria ZnCdSSe, che ha prodotto composizioni continuamente variabili di elementi su un singolo substrato (un materiale su cui è formato o fabbricato un circuito).

Ning dice questo la prima volta che un semiconduttore quaternario è stato prodotto sotto forma di nanofilo o nanoparticella.

Controllando la variazione spaziale di vari elementi e la temperatura di un substrato (chiamato metodo a doppio gradiente), il team ha prodotto emissioni di luce che variavano da 350 a 720 nanometri su un singolo substrato di appena pochi centimetri.

La diffusione del colore sul supporto può essere ampiamente controllata, e Ning afferma di ritenere che questo metodo a doppio gradiente possa essere applicato più generalmente per produrre altri semiconduttori in lega o espandere la gamma di band gap di queste leghe.

Per esplorare l'uso di materiali in lega quaternaria per rendere più efficienti le celle fotovoltaiche, il suo team ha sviluppato un design multicella laterale combinato con un concentratore dispersivo.

Il concetto di concentrazione dispersiva, o concentrazione spettrale divisa, è stato esplorato per decenni. Ma l'applicazione tipica utilizza una cella solare separata per ciascuna banda di lunghezze d'onda.

Con i nuovi materiali, Ning spera di costruire una supercella laterale monolitica che contenga più sottocelle in parallelo, ciascuno ottimizzato per una data banda di lunghezze d'onda. Le molteplici sottocelle possono assorbire l'intero spettro solare. Tali celle solari saranno in grado di raggiungere un'efficienza estremamente elevata con bassi costi di fabbricazione. Il team sta lavorando sia alla progettazione che alla fabbricazione di tali celle solari.

Allo stesso modo, i nuovi nanofili in lega quaternaria con un'ampia gamma di lunghezze d'onda possono essere esplorati per applicazioni di luce con ingegneria del colore.

I ricercatori hanno dimostrato che il controllo del colore attraverso il controllo della composizione della lega può essere esteso a due dimensioni spaziali, un passo avanti verso il design a colori per la generazione di luce bianca diretta o per i display a colori.