Un réseau dense de nanofils a été développé directement sur du graphène. Les encarts montrent une vue SEM à plus fort grossissement de la matrice et une image STEM d'un seul, nanofils InGaAs/InAs axialement hétérostructurés. Crédit :Parsian Mohseni
(Phys.org) — Imaginez un champ de petits fils — au garde-à-vous comme un minuscule champ de blé — rassemblant les rayons du soleil comme première étape de la conversion de l'énergie solaire.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont atteint de nouveaux niveaux de performance pour des réseaux de nanofils sans graines et sans substrat à partir de la classe de matériaux appelés III-V (trois-cinq) directement sur le graphène. Ces semi-conducteurs composés sont particulièrement prometteurs pour des applications impliquant la lumière, comme les cellules solaires ou les lasers.
"Au cours des deux dernières décennies, la recherche dans le domaine des nanofils semi-conducteurs a contribué à remodeler notre compréhension de l'assemblage cristallin à l'échelle atomique et à découvrir de nouveaux phénomènes physiques à l'échelle nanométrique, " a expliqué Xiuling Li, professeur de génie électrique et informatique à l'Illinois. Dans le numéro du 20 mars de Matériaux avancés , les chercheurs présentent le premier rapport d'une nouvelle architecture de cellule solaire basée sur des réseaux denses de nanofils coaxiaux à jonction p-n InGaAs sur des tiges d'InAs cultivées directement sur du graphène sans aucun catalyseur métallique ni motif lithographique.
"Dans ce travail, nous avons surmonté la structure surprenante (ségrégation de phase) et cultivé avec succès des InGaAs monophasés et démontré des performances de cellules solaires très prometteuses, " a expliqué le chercheur postdoctoral Parsian Mohseni, premier auteur de l'étude.
Le réseau de nanofils InGaAs/InAs peut être retiré de sa base de graphène et transféré vers des plates-formes alternatives pour les applications de dispositifs pliables. Crédit :Parsian Mohseni
"Selon les matériaux, les nanofils peuvent être utilisés pour des applications d'électronique fonctionnelle et d'optoélectronique, " a ajouté Mohseni. " Les principaux avantages de cette conception de cellule solaire photovoltaïque III-V sont qu'elle est assez peu coûteuse, sans substrat, et a un contact arrière intégré, tout en étant propice à l'intégration au sein d'autres plates-formes d'appareils flexibles."
Le groupe de recherche de Li utilise une méthode appelée épitaxie van der Waals pour faire croître des nanofils de bas en haut sur une feuille bidimensionnelle, dans ce cas, graphène. Gaz contenant du gallium, indium, et l'arsenic sont pompés dans une chambre où se trouve la feuille de graphène, incitant les nanofils à s'auto-assembler, se développant d'eux-mêmes dans un tapis dense de fils verticaux à travers la surface du graphène.
Dans leurs travaux antérieurs ( Lettres nano 2013) à l'aide d'une feuille de graphène, les chercheurs ont découvert que les fils d'InGaAs cultivés sur du graphène se séparent spontanément en un noyau d'arséniure d'indium (InAs) avec une enveloppe d'InGaAs autour de l'extérieur du fil. Pour améliorer l'efficacité des matériaux pour la conversion de l'énergie solaire, les chercheurs ont contourné l'épitaxie unique de van der Waals induite par la ségrégation de phase spontanée en insérant des segments d'InAs entre les deux. Les réseaux ternaires InGaAs NW résultants sont verticaux, non conique, taille contrôlable, la taille, et le dopage, et largement accordable en composition donc en énergie pour une intégration hétérogène monolithique avec des feuilles de van der Waals 2D comprenant du graphène.
Représentations schématiques des trois différentes géométries de nanofils étudiées (a-c) et un schéma d'une structure de dispositif de cellule solaire prototype de réseau de nanofils sur graphène (d). Les courbes de densité de courant-tension (J-V) illuminées caractéristiques et les spectres d'efficacité quantique externe (EQE) obtenus à partir des trois structures de dispositifs distinctes sont affichés en bas à gauche et en bas à droite, respectivement. Crédit :Parsian Mohseni
Sous la masse d'air 1.5 illumination solaire globale, le noyau-coque dans
"Bien que l'InGaAs soit loin d'être le matériau de bande interdite optimal pour les cellules solaires à haut rendement, l'épitaxie directe sur la plate-forme de graphène établie ici a des implications importantes pour une grande variété de cellules solaires à semi-conducteurs composés III-V à base de NW sur du graphène, ainsi que des émetteurs de lumière et des cellules solaires tandem multi-jonctions, qui peuvent tous être libérés pour des applications flexibles, " dit Li.
