Se cultivó una densa matriz de nanocables directamente en grafeno. Los recuadros muestran una vista SEM de mayor aumento de la matriz y una imagen STEM de un solo, nanocables InGaAs / InAs axialmente heteroestructurados. Crédito:Parsian Mohseni
(Phys.org) —Imagina un campo de pequeños cables, que se mantienen firmes como un pequeño campo de trigo, que recogen los rayos del sol como primer paso en la conversión de la energía solar.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han logrado nuevos niveles de rendimiento para matrices de nanocables sin semillas y sin sustrato de la clase de materiales llamados III-V (tres-cinco) directamente en grafeno. Estos semiconductores compuestos son particularmente prometedores para aplicaciones que involucran luz, como células solares o láseres.
"Durante las últimas dos décadas, La investigación en el campo de los nanocables semiconductores ha ayudado a remodelar nuestra comprensión del ensamblaje de cristales a escala atómica y a descubrir nuevos fenómenos físicos a escala nanométrica. "explicó Xiuling Li, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Illinois. En la edición del 20 de marzo de Materiales avanzados , Los investigadores presentan el primer informe de una nueva arquitectura de células solares basada en matrices densas de nanocables de InGaAs de unión p-n coaxiales en tallos de InAs cultivados directamente en grafeno sin catalizadores metálicos ni patrones litográficos.
"En este trabajo, hemos superado la estructura sorprendente (segregación de fases) y hemos cultivado con éxito InGaAs monofásicos y hemos demostrado un rendimiento de células solares muy prometedor, "explicó el investigador postdoctoral Parsian Mohseni, primer autor del estudio.
La matriz de nanocables InGaAs / InAs se puede levantar de su base de grafeno y transferir a plataformas alternativas para aplicaciones de dispositivos flexibles. Crédito:Parsian Mohseni
"Dependiendo de los materiales, Los nanocables se pueden utilizar para aplicaciones de electrónica funcional y optoelectrónica, ", Agregó Mohseni." Los principales beneficios de este diseño de celda solar fotovoltaica III-V son que es bastante económico, sin sustrato, y tiene un contacto lateral trasero incorporado, al mismo tiempo que favorece la integración con otras plataformas de dispositivos flexibles ".
El grupo de investigación de Li utiliza un método llamado epitaxia de van der Waals para hacer crecer nanocables de abajo hacia arriba en una hoja bidimensional. en este caso, grafeno. Gases que contienen galio, indio y el arsénico se bombea a una cámara donde se asienta la hoja de grafeno, provocando que los nanocables se autoensamblen, creciendo por sí mismos en una densa alfombra de cables verticales a través de la superficie del grafeno.
En su trabajo anterior ( Nano letras 2013) usando una hoja de grafeno, Los investigadores descubrieron que los cables de InGaAs cultivados en grafeno se segregan espontáneamente en un núcleo de arseniuro de indio (InAs) con una capa de InGaAs alrededor del exterior del cable. Para mejorar la eficiencia de los materiales para la conversión de energía solar, los investigadores evitaron la segregación de fase espontánea inducida por la epitaxia de van der Waals insertando segmentos de InAs en el medio. Los arreglos ternarios InGaAs NW resultantes son verticales, no ahusado, controlable en tamaño, altura, y dopaje, y ampliamente sintonizable en composición, por lo tanto, energía para la integración heterogénea monolítica con láminas de van der Waals 2D, incluido el grafeno.
Representaciones esquemáticas de las tres geometrías de nanocables diferentes investigadas (a-c) y un diagrama de una estructura de dispositivo de célula solar prototipo de matriz de nanocables sobre grafeno (d). Las curvas características de densidad-voltaje de corriente iluminada (J-V) y los espectros de eficiencia cuántica externa (EQE) obtenidos de las tres estructuras distintas del dispositivo se muestran en la parte inferior izquierda y en la parte inferior derecha. respectivamente. Crédito:Parsian Mohseni
Bajo masa de aire 1.5 iluminación solar global, el núcleo-caparazón en 0,25 Georgia 0,75 Como (E gramo ~ 1.1 eV) las matrices de nanocables en grafeno demuestran una eficiencia de conversión del 2.51%, lo que representa un nuevo récord de sustrato libre, Células solares basadas en III-V NW.
"Aunque InGaAs está lejos de ser el material de banda prohibida óptimo para las células solares de alta eficiencia, la epitaxia directa en la plataforma de grafeno establecida aquí tiene implicaciones significativas para una amplia variedad de células solares basadas en NW de semiconductores compuestos III-V en grafeno, así como emisores de luz y células solares en tándem de múltiples uniones, todo lo cual se puede lanzar para aplicaciones flexibles, "Dijo Li.
