Una fitta serie di nanofili è stata coltivata direttamente sul grafene. Gli inserti mostrano una vista SEM a maggiore ingrandimento dell'array e un'immagine STEM di un singolo, nanofili InGaAs/InAs assialmente eterostrutturati. Credito:Parsian Mohseni
(Phys.org) —Immagina un campo di piccoli fili, in piedi sull'attenti come un minuscolo campo di grano, che raccoglie i raggi del sole come primo passo nella conversione dell'energia solare.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno raggiunto nuovi livelli di prestazioni per array di nanofili senza semi e senza substrato da una classe di materiali chiamati III-V (tre-cinque) direttamente sul grafene. Questi semiconduttori composti sono particolarmente promettenti per applicazioni che coinvolgono luce, come celle solari o laser.
"Negli ultimi due decenni, la ricerca nel campo dei nanofili semiconduttori ha contribuito a rimodellare la nostra comprensione dell'assemblaggio di cristalli su scala atomica e a scoprire nuovi fenomeni fisici su scala nanometrica, " ha spiegato Xiuling Li, un professore di ingegneria elettrica e informatica all'Illinois. Nel numero del 20 marzo di Materiale avanzato , i ricercatori presentano il primo rapporto di una nuova architettura di celle solari basata su densi array di nanofili coassiali di giunzione p-n InGaAs su steli di InAs cresciuti direttamente sul grafene senza catalizzatori metallici o modelli litografici.
"In questo lavoro, abbiamo superato la sorprendente struttura (segregazione di fase) e coltivato con successo InGaAs monofase e dimostrato prestazioni delle celle solari molto promettenti, " ha spiegato il ricercatore post-dottorato Parsian Mohseni, primo autore dello studio.
L'array di nanofili InGaAs/InAs può essere sollevato dalla sua base in grafene e trasferito su piattaforme alternative per applicazioni di dispositivi pieghevoli. Credito:Parsian Mohseni
"A seconda dei materiali, i nanofili possono essere utilizzati per applicazioni di elettronica funzionale e optoelettronica, " Ha aggiunto Mohseni. "I principali vantaggi di questo design di celle solari fotovoltaiche III-V sono che è abbastanza economico, senza substrato, e dispone di un contatto posteriore integrato, pur essendo favorevole all'integrazione all'interno di altre piattaforme di dispositivi flessibili."
Il gruppo di ricerca di Li utilizza un metodo chiamato epitassia di van der Waals per far crescere i nanofili dal basso verso l'alto su un foglio bidimensionale, in questo caso, grafene. Gas contenenti gallio, indio, e l'arsenico vengono pompati in una camera dove si trova il foglio di grafene, spingendo i nanofili ad autoassemblarsi, crescendo da soli in un denso tappeto di fili verticali sulla superficie del grafene.
Nei loro primi lavori ( Nano lettere 2013) utilizzando un foglio di grafene, i ricercatori hanno scoperto che i fili di InGaAs cresciuti sul grafene si segregano spontaneamente in un nucleo di arseniuro di indio (InAs) con un guscio di InGaAs attorno all'esterno del filo. Per migliorare l'efficienza dei materiali per la conversione dell'energia solare, i ricercatori hanno aggirato l'esclusiva segregazione di fase spontanea indotta dall'epitassia di van der Waals inserendo segmenti di InAs nel mezzo. Gli array ternari InGaAs NW risultanti sono verticali, non affusolato, controllabile nelle dimensioni, altezza, e doping, e ampiamente sintonizzabile nella composizione, quindi energia per l'integrazione eterogenea monolitica con fogli di van der Waals 2D incluso il grafene.
Rappresentazioni schematiche delle tre diverse geometrie di nanofili studiate (a-c) e diagramma di un prototipo di struttura di un dispositivo a cella solare con array di nanofili su grafene (d). Le curve caratteristiche illuminate densità di corrente-tensione (J-V) e gli spettri di efficienza quantica esterna (EQE) ottenuti dalle tre distinte strutture del dispositivo sono mostrati in basso a sinistra e in basso a destra, rispettivamente. Credito:Parsian Mohseni
Sotto la massa d'aria 1,5 illuminazione solare globale, il nucleo-shell In 0.25 Ga 0,75 Come (E G ~ 1,1 eV) gli array di nanofili su grafene dimostrano un'efficienza di conversione del 2,51%, che rappresenta un nuovo record per l'assenza di substrato, Celle solari basate su III-V NW.
"Sebbene InGaAs sia ben lungi dall'essere il materiale bandgap ottimale per celle solari ad alta efficienza, l'epitassia diretta sulla piattaforma di grafene qui stabilita ha implicazioni significative per un'ampia varietà di celle solari basate su semiconduttori composti NW III-V su grafene, così come emettitori di luce e celle solari tandem multigiunzione, tutto ciò può essere rilasciato per applicazioni flessibili, " disse Li.