Dyrker nanotråder for solenergi

Nanotynne tråder dyrket på flak av grafén kan blant annet bli framtidas solceller, billigere og mer effektive enn silisiumbrikker.

Publisert

(Video: CrayoNano, via YouTube)

En ny teknologi som kan revolusjonere elektronikk, mener firmaet CrayoNano, som skal videreutvikle og kommersialisere teknologi fra NTNU i Trondheim.

Flere av de ansatte har bakgrunn som forskere her. I første omgang vil de vise hva teknologien er god for ved å lage solceller.

Nanotråder av halvleder

Nanotynne tråder av halvlederstoffet galliumarsenid vokser som stilker på en sopphatt av gallium. Disse stilkene kan brukes i blant annet effektive solceller og bøyelig elektronikk. (Foto: (Bilde: Fra YouTube-video produsert av CrayoNano))
Nanotynne tråder av halvlederstoffet galliumarsenid vokser som stilker på en sopphatt av gallium. Disse stilkene kan brukes i blant annet effektive solceller og bøyelig elektronikk. (Foto: (Bilde: Fra YouTube-video produsert av CrayoNano))

I et laboratorium på NTNU popper det opp noe som ligner små sopp. Men skogbunnen er et supertynt flak av grafén, karbonatomer i sekskantet hønsenettingmønster.

Hatten på soppene er av grunnstoffet gallium. Men den nyttige delen av nanosoppen er stilken. Den er bare en titusendels millimeter tykk, og har helt spesielle elektriske egenskaper.

Egenskapene kommer ikke bare av den lille størrelsen, men også av materialet, stoffet galliumarsenid. Dette stoffet er en halvleder, som brukes blant annet i transistorer og annen elektronikk, og altså i solceller.

Høy ytelse

- Vi utvikler neste generasjon solceller med dette materialet, understreker dr. Dong-Chul Kim på NTNU. Han har bakgrunn fra elektronikkgiganten Samsung, og er nå prosjektleder i CrayoNano.

- Galliumarsenid gir høy effektivitet i solceller, det er vel kjent, supplerer han.

Dette bekrefter Trygve Mongstad, forsker ved Avdeling for solenergi på Institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller.

- Solceller av galliumarsenid (GaAs) brukes ofte i satellitter, der kravene til ytelse er store. Men galliumarsenid er et mye dyrere materiale enn silisium, som vanlige solceller er laget av, sier han.

Lavere pris

Dr. Dong-Chul Kim. (Foto: CrayoNano)
Dr. Dong-Chul Kim. (Foto: CrayoNano)

Her kan den spesielle metoden til CrayoNano gi en forbedring.

- Vi trenger veldig lite materiale for å lage nanotråder. Dermed kan solcellene bli rimeligere, sier Kim.

Også det supertynne underlaget av grafén innebærer store besparelser framfor et tykt underlag av galliumarsenid, som ellers ville vært brukt.

- Når galliumarsenid er formet i tynne tråder, vil dessuten overflaten som absorberer sollys bli mye større enn om stoffet var en plan flate. Dermed blir materialforbruket mye mindre enn i vanlige solceller, supplerer Mongstad.

Flere lag

Men en annen fordel ligger i underlaget av grafén. Det er både en veldig god strømleder, og gjennomsiktig.

- Neste trinn i utviklingen blir å legge flere lag av dette materialet oppå hverandre. Hvert av lagene er gjennomsiktige. De kan utstyres med hver sin type halvleder, som suger til seg solstråler av forskjellig farge. Dermed blir effektiviteten enda bedre, sier Kim.

Et regelmessig gitter av halvlederen galliumarsenid bygges opp utfra det sekskantede mønsteret av karbonatomer i underlaget av grafen. (Foto: fra YouTube-video produsert av CrayoNano)
Et regelmessig gitter av halvlederen galliumarsenid bygges opp utfra det sekskantede mønsteret av karbonatomer i underlaget av grafen. (Foto: fra YouTube-video produsert av CrayoNano)

Bedre enn grafén alene

Det nye hybridmaterialet kan brukes til mye mer enn solceller. Flere typer elektronikk kan dra nytte av superstoffet grafén.

Siden grafén leder strøm så godt, har det vært gjort forsøk på å lage datakretser av grafén alene. Men de har bare delvis vært vellykket. Grafén er ikke en spesielt god halvleder.

Det nye hybridmaterialet med tråder av halvlederen galliumarsenid på grafenunderlag kan løse dette problemet. For å lage elektriske kretser, trengs også et topplag med elektriske kontakter som binder kretsene sammen.

- Disse kontaktene kan lages med kjent teknologi. Vi kan også lage dem av grafén, opplyser Kim.

Bøyelige skjermer og el-klær

Siden grafén er bøyelig, kan hybridmaterialet også brukes i for eksempel myke dataskjermer med LED-teknologi.

Såkalt e-papir som er kjent fra lesebrettene til Kindle har også vært laget i bøyelige varianter. Hittil har de vært laget av polymerer, men grafén leder strøm mye bedre.

Også klær med innebygget elektronikk kan dra nytte av det nye hybridmaterialet. Grafén er superlett og meget sterkt, og knekker ikke lett om det brettes.

3D-elektronikk

Nanotrådene vokser opp fra underlaget. Her er vist et tykt silisiumunderlag til sammenligning. Grafenunderlaget er mye tynnere. (Foto: (Bilde: CrayoNano))
Nanotrådene vokser opp fra underlaget. Her er vist et tykt silisiumunderlag til sammenligning. Grafenunderlaget er mye tynnere. (Foto: (Bilde: CrayoNano))

Lenger fram i tida ser Kim for seg lag på lag med grafén og halvledertråder som lager datakretser i tre dimensjoner.

Dette er et utgangspunkt for å produsere halvlederkomponenter på en ny måte. Halvledere dyrket på grafén kan omforme hele halvlederindustrien, ifølge en pressemelding fra CrayoNano.

Den nye teknologien er publisert i tidsskriftet Nano Letters.

- Det forskes på flere metoder for å gro nanotråder, og ennå er det mange praktiske problemer som må løses for å lage virkelige produkter av denne teknologien, kommenterer Knut Aasmundtveit, førsteamanuensis ved Institutt for mikro- og nanoteknologi ved Høgskolen i Vestfold.

- Men dette legger ikke forskerne i CrayoNano skjul på, og jeg synes det er en spennende teknologi de har utviklet som er vel verd å utvikle videre, sier Aasmundtveit til forskning.no.

Lenker:

Artikkelen i Nano Letters

Nettsiden til CrayoNano