Des études récentes ont révélé que les nanofils semi-conducteurs offrent des avantages uniques pour un large éventail d'applications. Un projet financé par l'UE innove dans la transition vers une récupération d'énergie durable et efficace en exploitant les propriétés inhabituelles de ces structures minuscules mais hautement contrôlées.

Avec de nouvelles technologies radicales qui changent la façon dont l'électricité est produite et utilisée, l'un des enjeux les plus importants sera d'augmenter l'efficacité et de réduire le coût de l'énergie produite.

La nanotechnologie ouvre des voies fondamentalement nouvelles pour relever les défis ci-dessus. En particulier, les nanofils semi-conducteurs sont salués comme étant un super-matériau révolutionnaire qui peut augmenter la rentabilité, tout en réduisant la quantité de matière nécessaire à la conversion d'énergie.

Stimulé par le potentiel passionnant des nanofils, chercheurs ont créé le projet PHD4ENERGY. Le projet a offert l'opportunité à 12 doctorants. étudiants à mener des recherches interdisciplinaires collaboratives dans le domaine des nanosciences.

Cellules solaires multi-jonctions, LED sans phosphore

Au cours des dernières années, la recherche sur les nanofils semi-conducteurs a permis d'améliorer la compréhension de la structure à l'échelle atomique et de révéler de nouveaux phénomènes physiques à l'échelle nanométrique. « Les nanofils semi-conducteurs offrent la possibilité de combiner facilement des matériaux en croissance épitaxiale. Par exemple, cela permet plus de liberté dans le choix des matériaux lors de la conception de multi-jonctions ou d'hétérostructures contrairement aux dispositifs planaires et pourrait ainsi conduire à des rendements plus élevés dans des structures plus simples, " note le professeur Linke Heiner.

"Les microfissures qui se forment dans les modules de cellules solaires planaires lorsque les matériaux ne s'emboîtent pas sont l'une des principales sources de pertes d'énergie, " explique Heiner. D'autres avantages lors de l'utilisation des nanofils incluent la possibilité d'affiner leur interaction avec la lumière. Les nanostructures sont des absorbeurs efficaces de lumière et peuvent agir comme des « antennes », récolte beaucoup plus de lumière et peut donc utiliser beaucoup moins de matière, durabilité croissante. Le fait qu'ils puissent attirer la lumière autour d'eux ouvre la voie au photovoltaïque à grande échelle n'utilisant qu'une fraction du matériau.

Exploitant le petit diamètre et la géométrie cylindrique de minuscules fils fabriqués à partir de semi-conducteurs III-V, l'équipe du projet a réussi à concevoir des structures de dispositifs uniques telles que des hétérojonctions axiales et radiales. L'avantage de cette approche est que les propriétés conductrices peuvent être modulées sur la longueur ou sur le rayon du nanofil. Une autre réalisation importante vers une haute efficacité, Les cellules solaires multijonctions à base de nanofils comprennent la conception de diodes tunnel à nanofils connues sous le nom de diodes Esaki à utiliser dans les cellules solaires en tandem.

Une partie importante de leur travail a été orientée vers la conception de structures LED de taille nanométrique. Pour les LED à lumière visible, les nitrures III - nitrure d'indium gallium - conviennent très bien avec des bandes interdites dans le domaine visible des énergies photoniques. Ces LED sans phosphore ont permis d'obtenir une émission de lumière de longueur d'onde plus longue pour la lumière blanche.

Les chercheurs ont également mené des études approfondies sur les propriétés thermoélectriques avantageuses des nanofils. Par exemple, ils ont montré pour la première fois expérimentalement que la chaleur peut être convertie en électricité avec un rendement électronique comparable à celui des centrales optimisées.

En phase avec toutes les activités ci-dessus ciblées sur les applications, le doctorat les étudiants ont également exploré la sécurité de leurs nanofils, vérifier la toxicité potentielle.

PHD4ENERGY a étudié de nouveaux concepts et technologies qui ouvrent la voie au développement de systèmes photovoltaïques de nouvelle génération et de sources lumineuses efficaces. En mettant l'accent sur les perspectives d'employabilité des titulaires de doctorat, le projet a favorisé la collaboration entre les étudiants et l'industrie par le biais d'un programme de formation à l'université de Lund.

Un succès majeur a également été l'école d'été Ph.D.4Energy 2016 sur les convertisseurs d'énergie à l'échelle nanométrique qui a accueilli des conférenciers invités exceptionnels et de visibilité internationale. Un grand nombre d'étudiants diplômés et de post-doctorants y ont participé.