Recenti studi hanno rivelato che i nanofili semiconduttori offrono vantaggi unici per un'ampia gamma di applicazioni. Un progetto finanziato dall'UE sta aprendo nuove strade verso la raccolta di energia sostenibile ed efficiente sfruttando le proprietà insolite di queste strutture minuscole ma altamente controllate.

Con le nuove tecnologie radicali che cambiano il modo in cui l'elettricità viene generata e utilizzata, una delle questioni più importanti sarà aumentare l'efficienza e ridurre il costo dell'energia prodotta.

La nanotecnologia apre strade fondamentalmente nuove per affrontare le sfide di cui sopra. In particolare, i nanofili semiconduttori sono acclamati come un super-materiale rivoluzionario in grado di aumentare l'efficienza dei costi, riducendo al contempo la quantità di materiale necessaria per la conversione dell'energia.

Spronato dall'eccitante potenziale dei nanofili, ricercatori hanno creato il progetto PHD4ENERGY. Il progetto ha offerto l'opportunità a 12 dottorandi. studenti a condurre ricerche interdisciplinari collaborative nel campo delle nanoscienze.

Celle solari multigiunzione, LED senza fosforo

Negli ultimi anni, la ricerca sui nanofili semiconduttori ha contribuito a migliorare la comprensione della struttura su scala atomica e rivelare nuovi fenomeni fisici su scala nanometrica. "I nanofili semiconduttori offrono la possibilità di combinare facilmente materiali in crescita epitassiale. Ad esempio, ciò consente una maggiore libertà nella scelta del materiale quando si progettano multi-giunzioni o eterostrutture in contrasto con i dispositivi planari e quindi potrebbe portare a maggiori efficienze in strutture più semplici, " nota la professoressa Linke Heiner.

"Le microfratture che si formano nei moduli di celle solari planari quando i materiali non si incastrano sono una delle principali fonti di perdite di energia, " spiega ulteriormente Heiner. Altri vantaggi quando si utilizzano i nanofili includono la capacità di mettere a punto la loro interazione con la luce. Le nanostrutture sono efficienti assorbitori di luce e possono fungere da "antenne", raccogliendo molta più luce e quindi può utilizzare molto meno materiale, crescente sostenibilità. Il fatto che possano attirare la luce intorno a loro apre la strada al fotovoltaico su larga scala che utilizza solo una frazione del materiale.

Sfruttando il diametro ridotto e la geometria cilindrica di minuscoli fili realizzati con semiconduttori III-V, il team del progetto ha progettato con successo strutture di dispositivi uniche come eterogiunzioni assiali e radiali. Il vantaggio di questo approccio è che le proprietà conduttive possono essere modulate lungo la lunghezza o attraverso il raggio del nanofilo. Un altro importante traguardo verso l'alta efficienza, Le celle solari multigiunzione basate su nanofili includono la progettazione di diodi tunnel a nanofili noti come diodi Esaki per l'uso in celle solari tandem.

Una parte significativa del loro lavoro è stata orientata alla progettazione di strutture LED di dimensioni nanometriche. Per LED a luce visibile, i III nitruri, nitruro di gallio indio, sono molto adatti con band gap nella gamma visibile delle energie dei fotoni. Questi LED privi di fosforo hanno contribuito a ottenere un'emissione di luce a lunghezza d'onda più lunga per la luce bianca.

I ricercatori hanno anche condotto studi approfonditi sulle proprietà termoelettriche vantaggiose dei nanofili. Per esempio, hanno dimostrato per la prima volta sperimentalmente che il calore può essere convertito in elettricità con un'efficienza elettronica pari a quella delle centrali elettriche ottimizzate.

In sintonia con tutte le suddette attività mirate all'applicazione, il dottorato gli studenti hanno anche esplorato la sicurezza dei loro nanofili, verifica della potenziale tossicità.

PHD4ENERGY ha studiato nuovi concetti e tecnologie che indicano la strada verso lo sviluppo di sistemi fotovoltaici di prossima generazione e sorgenti luminose efficienti. Con particolare attenzione alle prospettive di occupabilità dei titolari di dottorato, il progetto ha promosso la collaborazione tra studenti e industria attraverso un programma di formazione presso l'Università di Lund.

Un grande successo è stato anche il Ph.D.4Energy Summer School 2016 sui convertitori di energia su nanoscala che ha ospitato docenti invitati eccezionali e visibili a livello internazionale. Vi hanno partecipato un gran numero di dottorandi e dottori di ricerca.