Uma densa matriz de nanofios foi cultivada diretamente no grafeno. As inserções mostram uma visão SEM de maior ampliação da matriz e uma imagem STEM de um único, nanofios InGaAs / InAs axialmente heteroestruturados. Crédito:Parsian Mohseni
(Phys.org) - Imagine um campo de pequenos fios - em posição de sentido como um minúsculo campo de trigo - reunindo os raios do Sol como o primeiro passo na conversão da energia solar.
Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign alcançaram novos níveis de desempenho para matrizes de nanofios sem sementes e sem substrato da classe de materiais chamada III-V (três-cinco) diretamente no grafeno. Esses semicondutores compostos são particularmente promissores para aplicações envolvendo luz, como células solares ou lasers.
"Nas últimas duas décadas, pesquisas no campo de nanofios semicondutores ajudaram a remodelar nossa compreensão da montagem de cristal em escala atômica e descobrir novos fenômenos físicos em escala nanométrica, "explicou Xiuling Li, professor de engenharia elétrica e de computação em Illinois. Na edição de 20 de março da Materiais avançados , os pesquisadores apresentam o primeiro relatório de uma nova arquitetura de célula solar baseada em matrizes densas de nanofios de InGaAs de junção p-n coaxial em hastes de InAs cultivadas diretamente em grafeno sem quaisquer catalisadores de metal ou padronização litográfica.
"Nesse trabalho, superamos a estrutura surpreendente (segregação de fase) e crescemos com sucesso InGaAs de fase única e demonstramos um desempenho de célula solar muito promissor, "explicou o pesquisador de pós-doutorado Parsian Mohseni, primeiro autor do estudo.
A matriz de nanofios InGaAs / InAs pode ser retirada de sua base de grafeno e transferida para plataformas alternativas para aplicações de dispositivos dobráveis. Crédito:Parsian Mohseni
“Dependendo dos materiais, nanofios podem ser usados para aplicações de eletrônica funcional e optoeletrônica, "Mohseni acrescentou." Os principais benefícios deste projeto de célula solar fotovoltaica III-V são o seu baixo custo, sem substrato, e tem um contato lateral traseiro integrado, ao mesmo tempo em que favorece a integração em outras plataformas de dispositivos flexíveis. "
O grupo de pesquisa de Li usa um método chamado epitaxia de van der Waals para fazer crescer nanofios de baixo para cima em uma folha bidimensional, nesse caso, grafeno. Gases contendo gálio, índio, e o arsênico são bombeados para uma câmara onde fica a folha de grafeno, solicitando a automontagem dos nanofios, crescendo por si mesmas em um tapete denso de fios verticais em toda a superfície do grafeno.
Em seu trabalho anterior ( Nano Letras 2013) usando uma folha de grafeno, os pesquisadores descobriram que os fios InGaAs cultivados em grafeno segregam espontaneamente em um núcleo de arsenieto de índio (InAs) com um invólucro InGaAs ao redor do lado externo do fio. Para melhorar a eficiência dos materiais para conversão de energia solar, os pesquisadores contornaram a segregação de fase espontânea induzida pela epitaxia de van der Waals, inserindo segmentos InAs entre eles. Os arrays ternários InGaAs NW resultantes são verticais, não cônico, controlável em tamanho, altura, e doping, e amplamente ajustável em composição, portanto, energia para integração heterogênea monolítica com folhas de van der Waals 2D, incluindo grafeno.
Representações esquemáticas das três diferentes geometrias de nanofios investigadas (a-c) e um diagrama de uma estrutura de dispositivo de célula solar de protótipo de arranjo em grafeno nanofio (d). As curvas características de densidade de corrente iluminada (J-V) e os espectros de eficiência quântica externa (EQE) obtidos a partir das três estruturas distintas de dispositivos são mostrados na parte inferior esquerda e inferior direita, respectivamente. Crédito:Parsian Mohseni
Sob a massa de ar 1.5, iluminação solar global, o núcleo-shell em 0,25 Ga 0,75 As (E g ~ 1,1 eV) matrizes de nanofios em grafeno demonstram uma eficiência de conversão de 2,51%, representando um novo registro para sem substrato, Células solares baseadas em III-V NW.
"Embora o InGaAs esteja longe de ser o material bandgap ideal para células solares de alta eficiência, a epitaxia direta na plataforma de grafeno estabelecida aqui tem implicações significativas para uma ampla variedade de células solares baseadas em grafeno de semicondutor composto III-V NW, bem como emissores de luz e células solares em tandem de múltiplas junções, tudo o que pode ser lançado para aplicativos flexíveis, "Li disse.
