p À esquerda, um esquema de uma matriz nanopilar de germânio embutida em uma membrana de folha de alumina; à direita estão imagens SEM em corte transversal de uma membrana de alumina em branco com poros de diâmetro duplo; a inserção mostra nanopilares de germânio após o crescimento. (Imagens cortesia de Ali Javey)
p A luz solar representa o mais limpo, a mais verde e, de longe, a mais abundante de todas as fontes de energia, e, no entanto, seu potencial permanece lamentavelmente subutilizado. Os altos custos têm sido um grande obstáculo para as aplicações em larga escala de células solares à base de silício. Nanopilares - matrizes em nanoescala densamente compactadas de semicondutores opticamente ativos - têm mostrado potencial para fornecer uma próxima geração de células solares relativamente baratas e escaláveis, mas têm sido prejudicados por problemas de eficiência. A história do nanopilar, Contudo, deu uma nova guinada e o futuro desses materiais agora parece mais brilhante do que nunca. p “Ao ajustar a forma e a geometria de matrizes nanopilares altamente ordenadas de germânio ou sulfeto de cádmio, fomos capazes de melhorar drasticamente as propriedades de absorção óptica de nossos nanopilares, ”Diz Ali Javey, um químico que possui nomeações conjuntas com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e a Universidade da Califórnia (UC) em Berkeley.
p Javey, um cientista da faculdade de Berkeley Lab’s Materials Sciences Division e um professor da UC Berkeley de engenharia elétrica e ciência da computação, tem estado na vanguarda da pesquisa de nanopilares. Ele e seu grupo foram os primeiros a demonstrar uma técnica pela qual nanopilares de sulfeto de cádmio podem ser produzidos em massa em módulos flexíveis de grande escala. Neste último trabalho, eles foram capazes de produzir nanopilares que absorvem luz tão bem ou até melhor do que células solares de filme fino comerciais, usando muito menos material semicondutor e sem a necessidade de revestimento anti-reflexo.
p “Para aumentar a eficiência de absorção óptica de banda larga de nossos nanopilares, usamos uma nova estrutura de diâmetro duplo que apresenta uma ponta de diâmetro pequeno (60 nanômetros) com refletância mínima para permitir a entrada de mais luz, e uma base grande (130 nanômetros) de diâmetro para absorção máxima para permitir que mais luz seja convertida em eletricidade, ”Javey diz. “Esta estrutura de diâmetro duplo absorveu 99 por cento da luz visível incidente, em comparação com a absorção de 85 por cento por nossos nanopilares anteriores, que tinha o mesmo diâmetro em todo o seu comprimento. ”
p Trabalhos teóricos e experimentais mostraram que matrizes 3-D de nanopilares semicondutores - com diâmetro bem definido, comprimento e densidade - excelente em capturar luz enquanto usa menos da metade do material semicondutor necessário para células solares de filme fino feitas de semicondutores compostos, como telureto de cádmio, e cerca de um por cento do material usado em células solares feitas de silício a granel. Mas até o trabalho de Javey e seu grupo de pesquisa, fabricar tais nanopilares era um procedimento complexo e incômodo.
p Javey e seus colegas criaram seus nanopilares de diâmetro duplo a partir de moldes feitos em folha de alumina com 2,5 milímetros de espessura. Um processo de anodização de duas etapas foi usado para criar uma matriz de poros profundos de um micrômetro no molde com diâmetros duplos - estreito na parte superior e largo na parte inferior. Partículas de ouro foram então depositadas nos poros para catalisar o crescimento dos nanopilares semicondutores.
p “Este processo permite um controle preciso sobre a geometria e a forma dos arranjos nanopilares monocristalinos, sem o uso de processos epitaxiais e / ou litográficos complexos, ”Javey diz. “A uma altura de apenas dois mícrons, nossos arranjos de nanopilar foram capazes de absorver 99 por cento de todos os fótons com comprimentos de onda entre 300 e 900 nanômetros, sem ter que confiar em nenhum revestimento anti-reflexo. ”
p Os nanopilares de germânio podem ser ajustados para absorver fótons infravermelhos para detectores altamente sensíveis, e os nanopilares de sulfeto de cádmio / telureto são ideais para células solares. A técnica de fabricação é altamente genérica, Javey diz, ele poderia ser usado com vários outros materiais semicondutores também para aplicações específicas. Recentemente, ele e seu grupo demonstraram que a porção transversal das matrizes nanopilar também pode ser ajustada para assumir formas específicas - quadrado, retângulo ou círculo - simplesmente alterando a forma do modelo.
p “Isso apresenta mais um grau de controle nas propriedades de absorção óptica dos nanopilares, ”Javey diz.
p A pesquisa de nanopilares de diâmetro duplo de Javey foi parcialmente financiada pelo Centro de Sistemas Nanomecânicos Integrados (COINS) da National Science Foundation e por fundos do Berkeley Lab LDRD.
