I cambiamenti a livello di atomi nei nanofili offrono vaste possibilità di miglioramento delle celle solari e della luce a LED. I ricercatori di NTNU hanno scoperto che sintonizzando un piccolo sforzo sui singoli nanofili possono diventare più efficaci nei LED e nelle celle solari.

I ricercatori NTNU Dheeraj Dasa e Helge Weman hanno, in collaborazione con IBM, scoperto che l'arseniuro di gallio può essere sintonizzato con un piccolo ceppo per funzionare in modo efficiente come un singolo diodo emettitore di luce o un fotorivelatore. Ciò è facilitato dalla speciale struttura cristallina esagonale, indicato come wurtzite, che i ricercatori di NTNU sono riusciti a coltivare nel laboratorio MBE di NTNU. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura questa settimana.

Gli ultimi anni hanno visto importanti progressi nella ricerca sui nanofili e sul grafene presso l'NTNU. Nel 2010, Professori Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland e Ton van Helvoort e il loro gruppo accademico hanno reso pubbliche le loro prime scoperte rivoluzionarie nel campo.

I ricercatori, specializzati nella coltivazione di nanofili, era riuscito a controllare un cambiamento nella struttura cristallina durante la crescita dei nanofili. Alterando la struttura cristallina di una sostanza, cioè cambiando le posizioni degli atomi, la sostanza può acquisire proprietà completamente nuove. I ricercatori dell'NTNU hanno scoperto come alterare la struttura cristallina nei nanofili fatti di arseniuro di gallio e altri semiconduttori.

Con quello, sono state gettate le basi per celle solari e LED più efficienti.

"La nostra scoperta è stata che potevamo manipolare la struttura, atomo per atomo. Siamo stati in grado di manipolare gli atomi e alterare la struttura cristallina durante la crescita dei nanofili. Questo ha aperto per vaste nuove possibilità. Siamo stati tra i primi al mondo a creare un nuovo materiale in arseniuro di gallio con una diversa struttura cristallina, " afferma Helge Weman del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni.

Questo processo esiste anche in natura. Per esempio, diamante e grafite – quest'ultima è usata come “mina” nelle matite – sono composti dagli stessi atomi di carbonio. Ma le loro strutture cristalline sono diverse.

E adesso, i ricercatori possono anche modificare la struttura dei nanofili a livello atomico.

Grafene, il super-materiale

La prossima grande novità è arrivata nel 2012. A quel punto, i ricercatori erano riusciti a far crescere nanofili semiconduttori sul super-materiale grafene. Il grafene è il materiale più sottile e resistente mai realizzato. Questa scoperta è stata descritta come una rivoluzione nello sviluppo di celle solari e componenti LED.

Col tempo, il grafene può sostituire il silicio come componente nei circuiti elettronici. Oggi, il silicio viene utilizzato per produrre sia l'elettronica che le celle solari. Il grafene conduce l'elettricità 100 volte più velocemente del silicio, ed è solo un atomo di spessore, mentre un wafer di silicio è normalmente milioni di volte più spesso. Il grafene sarà probabilmente anche più economico del silicio in pochi anni.

Il gruppo di ricerca ha ricevuto molta attenzione internazionale per il metodo del grafene. Helge Weman e i suoi co-fondatori NTNU Bjørn-Ove Fimland e Dong-Chul Kim hanno fondato la società CrayoNano AS, lavorando con un'invenzione brevettata che coltiva nanofili semiconduttori sul grafene. Il metodo è chiamato epitassia a fascio molecolare (MBE), e il materiale ibrido ha buone proprietà elettriche e ottiche.

"Stiamo mostrando come utilizzare il grafene per realizzare prodotti elettronici molto più efficaci e flessibili, inizialmente celle solari e diodi emettitori di luce bianca (LED). Il futuro riserva molte applicazioni più avanzate, "dice Weman.

Celle solari altamente efficaci

"Il nostro obiettivo è creare celle solari che siano più efficaci di quando sono realizzate con tecnologia a film sottile, " sottolinea Weman.

La tecnologia a film sottile è un termine della tecnologia delle celle solari. Questa tecnologia sviluppa pannelli a celle solari supersottili, dove lo strato attivo che converte la luce solare in elettricità ha uno spessore non superiore a tre micrometri, cioè tremila di millimetro. Il peso ridotto consente un facile trasporto, installazione e manutenzione delle celle solari, e possono in pratica essere srotolati come il feltro per tetti sulla maggior parte degli edifici.

Ora, la combinazione di nanofili e grafene facilita celle solari molto più ampie e flessibili.

In film sottili come l'arseniuro di gallio, gli atomi sono posti cubicamente in una fissa, struttura predefinita. Quando i ricercatori manipolano la struttura dell'atomo all'interno del nanofilo, possono crescere strutture cristalline sia cubiche che esagonali. Le diverse strutture hanno proprietà completamente diverse, per esempio quando si tratta di proprietà ottiche.

Nuove scoperte, nuove possibilità

Negli ultimi due anni il gruppo di ricerca ha, tra l'altro, ha studiato l'esclusiva struttura cristallina esagonale nei nanofili di GaAs.

"In collaborazione con IBM, ora abbiamo scoperto che se allunghiamo questi nanofili, funzionano abbastanza bene come diodi emettitori di luce. Anche, se premiamo i nanofili, funzionano abbastanza bene come fotorivelatori. Ciò è facilitato dalla struttura cristallina esagonale, chiamato wurtzite. Ci semplifica la modifica della struttura per ottimizzare l'effetto ottico per le diverse applicazioni.

"Ci dà anche una comprensione molto migliore, permettendoci di progettare i nanofili con una sollecitazione di compressione incorporata, ad esempio per renderli più efficaci in una cella solare. Questo può essere utilizzato ad esempio per sviluppare diversi sensori di pressione, o per raccogliere energia elettrica quando i nanofili sono piegati, "Spiega Weman.

A causa di questa nuova capacità di manipolare la struttura cristallina dei nanofili, è possibile creare celle solari altamente efficaci che producono una maggiore potenza elettrica. Anche, il fatto che ora CrayoNano può far crescere nanofili su superleggeri, grafene forte e flessibile, permette la produzione di celle solari molto flessibili e leggere.

Il gruppo CrayoNano ora inizierà anche a coltivare nanofili di nitruro di gallio da utilizzare in diodi a emissione di luce bianca.

"Uno dei nostri obiettivi è creare nanofili di nitruro di gallio in una macchina MBE appena installata presso NTNU per creare diodi emettitori di luce con migliori proprietà ottiche e farli crescere su grafene per renderli flessibili, leggero e resistente."