Um avanço recente de pesquisadores da Arizona State University no desenvolvimento de nanofios pode levar a células fotovoltaicas mais eficientes para gerar energia a partir da luz solar, e melhores diodos emissores de luz (LEDs) que poderiam substituir lâmpadas incandescentes menos eficientes em energia.

Os engenheiros elétricos Cun-Zheng Ning e Alian Pan estão trabalhando para melhorar os materiais nanofios semicondutores de liga quaternária.

Os nanofios têm dezenas de nanômetros de diâmetro e dezenas de mícrons de comprimento. Ligas quaternárias são feitas de semicondutores com quatro elementos, freqüentemente feito pela liga de dois ou mais semicondutores compostos.

Semicondutores são a base material para tecnologias como células solares, LEDs de alta eficiência para iluminação, e para detectores visíveis e infravermelhos.

Um dos parâmetros mais críticos dos semicondutores que determinam a viabilidade dessas tecnologias é o gap. O gap de banda de um semicondutor determina, por exemplo, se um determinado comprimento de onda da luz solar é absorvido ou deixado inalterado pelo semicondutor em uma célula solar.

A diferença de banda também determina a cor da luz que um LED emite. Para tornar as células solares mais eficientes, é necessário aumentar a gama de lacunas de banda.

Idealmente, a mais alta eficiência da célula solar é alcançada por ter uma ampla gama de lacunas de banda que correspondem a todo o espectro solar, explica Ning, um professor da Escola de Elétrica, Engenharia Informática e Energética, uma parte das Escolas de Engenharia Ira A. Fulton da ASU.

Em aplicações de iluminação LED, ele diz, mais lacunas de banda disponíveis significam que mais cores podem ser emitidas, fornecendo mais flexibilidade na engenharia de cores ou na renderização de cores da luz.

Por exemplo, diferentes proporções de vermelho, as cores verdes e azuis se misturam com diferentes cores brancas. Mais flexibilidade permitiria que a cor branca fosse ajustada para se adequar a várias situações, ou preferências individuais.

De forma similar, Ning diz, a detecção de cores diferentes requer semicondutores de lacunas de banda diferentes. Quanto mais lacunas de banda estiverem disponíveis, mais informações podem ser adquiridas sobre um objeto a ser detectado. Assim, todas essas aplicações de iluminação podem ser melhoradas por meio de semicondutores com uma ampla gama de lacunas de banda.

Os pesquisadores dizem que o obstáculo é que todo semicondutor feito pelo homem ou que ocorre naturalmente tem apenas um gap específico.

Uma maneira padrão de ampliar a faixa de lacunas de banda é ligando dois ou mais semicondutores. Ajustando a proporção relativa de dois semicondutores em uma liga, é possível desenvolver novos intervalos de banda entre os dois semicondutores.

Mas fazer isso requer uma condição chamada correspondência constante de rede, que requer espaços interatômicos semelhantes entre dois semicondutores para crescerem juntos.

"É por isso que não podemos cultivar ligas de composições arbitrárias para atingir intervalos de banda arbitrários, "Ning diz." Esta falta de lacunas de banda disponíveis é uma das razões pelas quais a eficiência atual da célula solar é baixa, e porque não temos cores de iluminação LED que podem ser ajustadas para várias situações. "

Em tentativas recentes de crescer nanofios semicondutores com "quase" intervalos de banda arbitrários, a equipe de pesquisa liderada por Ning e Pan, um professor assistente de pesquisa, usaram uma nova abordagem para produzir uma gama extremamente ampla de lacunas de banda.

Eles ligaram dois semicondutores, sulfeto de zinco (ZnS) e seleneto de cádmio (CdSe) para produzir a liga semicondutora quaternária ZnCdSSe, que produziu composições continuamente variáveis ​​de elementos em um único substrato (um material no qual um circuito é formado ou fabricado).

Ning diz que é a primeira vez que um semicondutor quaternário é produzido na forma de um nanofio ou nanopartícula.

Ao controlar a variação espacial de vários elementos e a temperatura de um substrato (chamado método de gradiente duplo), a equipe produziu emissões de luz que variaram de 350 a 720 nanômetros em um único substrato de apenas alguns centímetros de tamanho.

A propagação da cor pelo substrato pode ser controlada em grande medida, e Ning diz que acredita que este método de gradiente duplo pode ser aplicado de forma mais geral para produzir outros semicondutores de liga ou expandir a faixa de gap dessas ligas.

Para explorar o uso de materiais de liga quaternária para tornar as células fotovoltaicas mais eficientes, sua equipe desenvolveu um design multicelular lateral combinado com um concentrador dispersivo.

O conceito de concentração dispersiva, ou concentração de divisão espectral, foi explorado por décadas. Mas a aplicação típica usa uma célula solar separada para cada banda de comprimento de onda.

Com os novos materiais, Ning espera construir uma supercélula lateral monolítica que contenha múltiplas subcélulas em paralelo, cada um otimizado para uma determinada banda de comprimento de onda. As múltiplas subcélulas podem absorver todo o espectro solar. Essas células solares serão capazes de atingir uma eficiência extremamente alta com baixo custo de fabricação. A equipe está trabalhando no design e na fabricação dessas células solares.

De forma similar, os novos nanofios de liga quaternária com grande amplitude de comprimento de onda podem ser explorados para aplicações de luz por engenharia de cores.

Os pesquisadores demonstraram que o controle de cor por meio do controle de composição da liga pode ser estendido a duas dimensões espaciais, um passo mais perto do design colorido para geração de luz branca direta ou para telas coloridas.