Imagen de microscopio electrónico de nanocables de núcleo-capa de wurtzita GaA / AIGaAs. Crédito:Dr. Dheeraj Dasa y Prof. Helge Weman, NTNU
Los cambios a nivel de átomo en los nanocables ofrecen amplias posibilidades de mejora de las células solares y la luz LED. Los investigadores de NTNU han descubierto que al ajustar una pequeña tensión en nanocables individuales, pueden volverse más efectivos en LED y células solares.
Los investigadores de NTNU Dheeraj Dasa y Helge Weman tienen, en cooperación con IBM, descubrió que el arseniuro de galio se puede ajustar con una pequeña tensión para funcionar eficientemente como un solo diodo emisor de luz o un fotodetector. Esto se ve facilitado por la estructura cristalina hexagonal especial, conocido como wurtzita, que los investigadores de NTNU han logrado hacer crecer en el laboratorio MBE en NTNU. Los resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza esta semana.
Los últimos años han visto avances significativos en la investigación de nanocables y grafeno en NTNU. En 2010, Profesores Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland y Ton van Helvoort y su grupo académico hicieron públicos sus primeros descubrimientos revolucionarios en el campo.
Los investigadores, que se especializan en el cultivo de nanocables, había logrado controlar un cambio en la estructura cristalina durante el crecimiento de los nanocables. Al alterar la estructura cristalina de una sustancia, es decir, cambiar las posiciones de los átomos, la sustancia puede adquirir propiedades completamente nuevas. Los investigadores de NTNU descubrieron cómo alterar la estructura cristalina en nanocables hechos de arseniuro de galio y otros semiconductores.
Con ese, se sentaron las bases para células solares y LED más eficientes.
"Nuestro descubrimiento fue que podíamos manipular la estructura, átomo por átomo. Pudimos manipular los átomos y alterar la estructura cristalina durante el crecimiento de los nanocables. Esto se abrió a nuevas e inmensas posibilidades. Estuvimos entre los primeros en el mundo que pudimos crear un nuevo material de arseniuro de galio con una estructura cristalina diferente, "dice Helge Weman en el Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones.
Este proceso también existe en la naturaleza. Por ejemplo, el diamante y el grafito (este último se utiliza como "mina" en los lápices) están compuestos por los mismos átomos de carbono. Pero sus estructuras cristalinas son diferentes.
Y ahora, los investigadores también pueden cambiar la estructura de los nanocables a nivel de átomo.
Grafeno el supermaterial
La siguiente gran noticia llegó en 2012. En ese momento, los investigadores habían logrado hacer crecer nanocables semiconductores en el supermaterial grafeno. El grafeno es el material más delgado y resistente jamás fabricado. Este descubrimiento fue descrito como una revolución en el desarrollo de componentes LED y células solares.
Tiempo extraordinario, el grafeno puede reemplazar al silicio como componente de los circuitos electrónicos. Hoy dia, El silicio se utiliza para producir tanto electrónica como células solares. El grafeno conduce la electricidad 100 veces más rápido que el silicio, y tiene un solo átomo de espesor, mientras que una oblea de silicio es normalmente millones de veces más gruesa. Es probable que el grafeno también sea más barato que el silicio en unos pocos años.
El grupo de investigación ha recibido mucha atención internacional por el método del grafeno. Helge Weman y sus cofundadores de NTNU Bjørn-Ove Fimland y Dong-Chul Kim han establecido la empresa CrayoNano AS, trabajando con una invención patentada que hace crecer nanocables semiconductores en grafeno. El método se llama epitaxia de haz molecular (MBE), y el material híbrido tiene buenas propiedades eléctricas y ópticas.
"Estamos mostrando cómo usar el grafeno para hacer productos electrónicos mucho más efectivos y flexibles, inicialmente células solares y diodos emisores de luz (LED) blancos. El futuro depara muchas aplicaciones más avanzadas, "dice Weman.
Células solares de gran eficacia
"Nuestro objetivo es crear células solares que sean más efectivas que cuando se fabrican con tecnología de película fina, "Enfatiza Weman.
La tecnología de película delgada es un término de la tecnología de células solares. Esta tecnología desarrolla paneles de células solares superdelgados, donde la capa activa que convierte la luz solar en electricidad tiene un espesor de no más de tres micrómetros, es decir, tres mil de milímetro. El bajo peso permite un fácil transporte, instalación y mantenimiento de las células solares, y en la práctica se pueden extender como fieltro para techos en la mayoría de los edificios.
Ahora, la combinación de nanocables y grafeno facilita células solares mucho más amplias y flexibles.
En películas delgadas como arseniuro de galio, los átomos se colocan cúbicamente en un fijo, estructura predefinida. Cuando los investigadores manipulan la estructura del átomo dentro del nanoalambre, pueden desarrollar estructuras cristalinas tanto cúbicas como hexagonales. Las diferentes estructuras tienen propiedades completamente diferentes, por ejemplo, cuando se trata de propiedades ópticas.
Los investigadores de NTNU, el Dr. Dheeraj Dasa y el Prof. Helge Weman, han hecho nuevos descubrimientos para cambiar la estructura cristalina de los nanocables. Aquí están posando con un modelo gigante de la estructura del cristal de wurtzita. Crédito:Kai T. Dragland / NTNU
Nuevos descubrimientos, nuevas posibilidades
Los últimos años que ha tenido el grupo de investigación, entre otras cosas, estudió la estructura cristalina hexagonal única en los nanocables de GaAs.
"En cooperación con IBM, ahora hemos descubierto que si estiramos estos nanocables, funcionan bastante bien como diodos emisores de luz. También, si presionamos los nanocables, funcionan bastante bien como fotodetectores. Esto se ve facilitado por la estructura cristalina hexagonal, llamado wurtzita. Nos facilita el cambio de estructura para optimizar el efecto óptico para diferentes aplicaciones.
"También nos da una mejor comprensión, permitiéndonos diseñar los nanocables con un esfuerzo de compresión incorporado, por ejemplo para hacerlos más efectivos en una celda solar. Esto se puede utilizar, por ejemplo, para desarrollar diferentes sensores de presión, o para recolectar energía eléctrica cuando los nanocables están doblados, "Explica Weman.
Debido a esta nueva capacidad para manipular la estructura cristalina de los nanocables, es posible crear células solares de gran eficacia que produzcan una mayor potencia eléctrica. También, el hecho de que CrayoNano ahora puede cultivar nanocables en superligero, grafeno fuerte y flexible, permite la producción de células solares muy flexibles y ligeras.
El grupo CrayoNano ahora también comenzará a cultivar nanocables de nitruro de galio para su uso en diodos emisores de luz blanca.
"Uno de nuestros objetivos es crear nanocables de nitruro de galio en una máquina MBE recién instalada en NTNU para crear diodos emisores de luz con mejores propiedades ópticas y cultivarlos en grafeno para hacerlos flexibles. ligero y fuerte ".
