A sinistra uno schema di un array di nanopillar di germanio incorporato in una membrana a foglio di allumina; a destra sono immagini SEM in sezione trasversale di una membrana di allumina vuota con pori a doppio diametro; l'inserto mostra i nanopillari di germanio dopo la crescita. (Immagini per gentile concessione di Ali Javey)
La luce del sole rappresenta il più pulito, la più verde e di gran lunga la più abbondante di tutte le fonti energetiche, eppure il suo potenziale rimane deplorevolmente sottoutilizzato. I costi elevati sono stati un importante deterrente per le applicazioni su larga scala delle celle solari a base di silicio. I nanopillar - array su nanoscala densamente imballati di semiconduttori otticamente attivi - hanno mostrato il potenziale per fornire una prossima generazione di celle solari relativamente economiche e scalabili, ma sono stati ostacolati da problemi di efficienza. La storia del nanopilastro, però, ha preso una nuova svolta e il futuro di questi materiali ora sembra più luminoso che mai.
"Regolando la forma e la geometria di array di nanopillar altamente ordinati di germanio o solfuro di cadmio, siamo stati in grado di migliorare drasticamente le proprietà di assorbimento ottico dei nostri nanopilastri, "dice Ali Javey, un chimico che tiene appuntamenti congiunti con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e l'Università della California (UC) a Berkeley.
Javey, uno scienziato della facoltà con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley, è stato in prima linea nella ricerca sui nanopilastri. Lui e il suo gruppo sono stati i primi a dimostrare una tecnica mediante la quale i nanopillar di solfuro di cadmio possono essere prodotti in serie in moduli flessibili su larga scala. In questo ultimo lavoro, sono stati in grado di produrre nanopilastri che assorbono la luce altrettanto bene o addirittura meglio delle celle solari commerciali a film sottile, utilizzando molto meno materiale semiconduttore e senza la necessità di un rivestimento antiriflesso.
“Per migliorare l'efficienza di assorbimento ottico a banda larga dei nostri nanopillar abbiamo utilizzato una nuova struttura a doppio diametro che presenta una punta di diametro piccolo (60 nanometri) con riflettanza minima per consentire l'ingresso di più luce, e una base di grande diametro (130 nanometri) per il massimo assorbimento per consentire la conversione di più luce in elettricità, "dice Javey. “Questa struttura a doppio diametro ha assorbito il 99 percento della luce visibile incidente, rispetto all'85% di assorbimento dei nostri precedenti nanopilastri, che avevano lo stesso diametro per tutta la loro lunghezza”.
Lavori teorici e sperimentali hanno dimostrato che gli array 3-D di nanopillar di semiconduttori - con diametro ben definito, lunghezza e passo:eccellono nell'intrappolare la luce utilizzando meno della metà del materiale semiconduttore necessario per le celle solari a film sottile realizzate con semiconduttori composti, come il tellururo di cadmio, e circa l'uno per cento del materiale utilizzato nelle celle solari realizzate con silicio sfuso. Ma fino al lavoro di Javey e del suo gruppo di ricerca, fabbricare tali nanopillar era una procedura complessa e ingombrante.
Javey e i suoi colleghi hanno modellato i loro nanopillar a doppio diametro da stampi realizzati in un foglio di allumina spesso 2,5 millimetri. È stato utilizzato un processo di anodizzazione in due fasi per creare una serie di pori profondi un micrometro nello stampo con due diametri:stretti nella parte superiore e larghi nella parte inferiore. Le particelle d'oro sono state quindi depositate nei pori per catalizzare la crescita dei nanopilastri semiconduttori.
“Questo processo consente un controllo accurato della geometria e della forma degli array di nanopillar monocristallini, senza l'utilizzo di complessi processi epitassiali e/o litografici, "dice Javey. “Ad un'altezza di soli due micron, i nostri array di nanopillar sono stati in grado di assorbire il 99 percento di tutti i fotoni con lunghezze d'onda comprese tra 300 e 900 nanometri, senza dover fare affidamento su alcun rivestimento antiriflesso.”
I nanopillar di germanio possono essere sintonizzati per assorbire fotoni infrarossi per rivelatori altamente sensibili, e i nanopillar di solfuro di cadmio/tellururo sono ideali per le celle solari. La tecnica di fabbricazione è così altamente generica, Javey dice, potrebbe essere utilizzato con numerosi altri materiali semiconduttori anche per applicazioni specifiche. Recentemente, lui e il suo gruppo hanno dimostrato che la porzione trasversale degli array di nanopillar può anche essere sintonizzata per assumere forme specifiche:quadrata, rettangolo o cerchio, semplicemente cambiando la forma del modello.
“Questo presenta ancora un altro grado di controllo nelle proprietà di assorbimento ottico dei nanopilastri, "dice Javey.
La ricerca sui nanopillari a doppio diametro di Javey è stata parzialmente finanziata attraverso il Centro di sistemi nanomeccanici integrati (COINS) della National Science Foundation e tramite fondi LDRD del Berkeley Lab.
