Un report, pubblicato nell'edizione del 14 marzo del Journal of Materials Chemistry , ha annunciato il successo della fabbricazione e della sperimentazione di un nuovo tipo di cella solare che utilizza una struttura di nanofili con nucleo/guscio inorganico.

Array di nanofili core/shell (descritti come "cavi coassiali quantistici") erano stati precedentemente teorizzati come una struttura potenziale che, mentre è composto da materiali inorganici chimicamente più stabili a grande banda proibita, dovrebbe anche essere in grado di assorbire l'ampia gamma di lunghezze d'onda presenti nella luce solare. I semiconduttori ad alto bandgap sono generalmente considerati non efficaci nell'assorbire da soli la maggior parte delle lunghezze d'onda disponibili nella radiazione solare. Ad esempio, l'ossido di zinco ad alto bandgap (ZnO) è trasparente nel visibile ma assorbente nell'ultravioletto, e quindi è ampiamente utilizzato nei filtri solari, ma non è stato considerato utile nelle celle solari.

Nella relazione, un team di ricercatori dell'Università di Xiamen in Cina e dell'Università della Carolina del Nord a Charlotte descrive la creazione di nanofili di ossido di zinco (ZnO) con un rivestimento di seleniuro di zinco (ZnSe) per formare una struttura materiale nota come eterogiunzione di tipo II che ha un significativamente bandgap inferiore rispetto a uno dei materiali originali. Il team ha riferito che gli array dei nanofili strutturati sono stati successivamente in grado di assorbire la luce dalle lunghezze d'onda visibili e del vicino infrarosso, e mostrare il potenziale uso di materiali a banda proibita per un nuovo tipo di cella solare economica e durevole.

"I materiali con bandgap elevato tendono ad essere chimicamente più stabili dei semiconduttori con bandgap inferiore che abbiamo attualmente, " ha notato il membro del team Yong Zhang, un Distinguished Professor Bissell presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e presso l'Energy Production and Infrastructure Center (EPIC) presso l'Università della Carolina del Nord a Charlotte.

"E queste strutture di nanofili possono essere realizzate utilizzando una tecnologia a bassissimo costo, utilizzando una tecnica di deposizione chimica da vapore (CVD) per far crescere l'array, " ha aggiunto. "In confronto, le celle solari che utilizzano silicio e arseniuro di gallio richiedono tecniche di produzione più costose".

Basato su un concetto pubblicato su Nano Letters nel 2007 da Zhang e dai collaboratori Lin-Wang Wang (Lawrence Berkeley National Laboratory) e Angelo Mascarenhas (National Renewable Energy Laboratory), l'array è stato fabbricato dagli attuali collaboratori di Zhang Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li e Junyong Kang presso il Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications nel Dipartimento di Fisica dell'Università di Xiamen, Cina.

I tentativi passati di utilizzare materiali ad alto gap di banda in realtà non utilizzavano i semiconduttori per assorbire la luce, ma prevedevano invece di rivestirli con molecole organiche (coloranti) che realizzavano il fotoassorbimento e trasmettevano semplicemente elettroni al materiale semiconduttore. In contrasto, i nanofili di eterogiunzione del team assorbono la luce direttamente e conducono in modo efficiente una corrente attraverso fili "coassiali" di dimensioni nanometriche, che separano le cariche inserendo gli elettroni eccitati nei nuclei di ossido di zinco dei fili e i "buchi" nei gusci di seleniuro di zinco.

"Creando una speciale architettura di eterogiunzione su scala nanometrica, stiamo anche realizzando nanofili coassiali che sono buoni per la conduttività, " disse Zhang. "Anche se hai un buon assorbimento della luce e stai creando coppie elettrone-lacuna, devi essere in grado di portarli fuori dal circuito per ottenere corrente, quindi dobbiamo avere una buona conduttività. Questi nanofili coassiali sono simili al cavo coassiale nell'ingegneria elettrica. Quindi fondamentalmente abbiamo due canali conduttori:l'elettrone che va da una parte nel nucleo e il foro dall'altra nel guscio".

I nanofili sono stati creati facendo crescere prima una serie di "fili" di cristalli di ossido di zinco a sei lati da un film sottile dello stesso materiale utilizzando la deposizione di vapore. La tecnica ha creato una foresta di cristalli di ossido di zinco aghiformi a lati lisci con diametri uniformi (da 40 a 80 nanometri) lungo la loro lunghezza (circa 1,4 micrometri). Un guscio di seleniuro di zinco un po' più ruvido è stato quindi depositato per rivestire tutti i fili. Finalmente, un film di ossido di indio e stagno (ITO) è stato legato al rivestimento di seleniuro di zinco, e una sonda di indio è stata collegata al film di ossido di zinco, creando contatti per qualsiasi corrente generata dalla cella.

"Abbiamo misurato il dispositivo e mostrato che la soglia di fotorisposta era di 1,6 eV, "Zhang ha detto, notando che la cella era così efficace nell'assorbire le lunghezze d'onda delle onde luminose dall'ultravioletto al vicino infrarosso, una gamma che copre la maggior parte della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre.

Sebbene l'uso dei nanofili per assorbire l'energia luminosa sia un'importante innovazione, forse ancora più importante è il successo dei ricercatori nell'utilizzo di materiali semiconduttori inorganici stabili ad alta banda proibita per un dispositivo a energia solare economico ma efficace.

"Questo è un nuovo meccanismo, poiché questi materiali in precedenza non erano considerati direttamente utili per le celle solari, " Zhang ha detto. Ha sottolineato che le applicazioni per il concetto non finiscono qui, ma aprono la porta a considerare un numero maggiore di materiali semiconduttori ad alto gap di banda con proprietà del materiale molto desiderabili per varie applicazioni legate all'energia solare, come la generazione di idrogeno mediante scissione fotoelettrochimica dell'acqua.

"L'uso esteso delle eterostrutture su nanoscala di tipo II estende anche il loro uso per altre applicazioni, come fotorivelatori - rivelatore IR in particolare, " ha osservato.