Nanokunnskap gir supersolceller

Nå kan forskerne designe nanotråder som gjør dem enda mer effektive i en solcelle.

Publisert
Forskerne kan nå manipulere krystallstrukturen i nanotrådene. Dermed kan man på sikt være i stand til å produsere høyeffektive solceller som gir høyere elektrisk effekt. (Foto: Reuters Creative)
Forskerne kan nå manipulere krystallstrukturen i nanotrådene. Dermed kan man på sikt være i stand til å produsere høyeffektive solceller som gir høyere elektrisk effekt. (Foto: Reuters Creative)

De siste årene har forskere gjort store gjennombrudd innen nanotråder og grafén.

I 2010 gikk professorene Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland og miljøet rundt dem ut med sine første oppdagelser innen feltet. 

De klarte å kontrollere hvordan krystallstrukturen kan endres når nanotråder vokser.

Ved å endre krystallstrukturen i et stoff, det vil si flytte på atomenes plassering, kan stoffet få helt nye egenskaper. Forskerne fant ut hvordan de kunne endre krystallstrukturen i nanotråder laget av galliumarsenid og andre halvledere.

Dermed var grunnlaget lagt for en helt ny type solceller.

– Det vi oppdaget, var at vi kunne manipulere strukturen atom for atom. Under groingen av nanotråder kunne vi manipulere atomene og endre krystallstrukturen, sier Weman.

– Det åpnet for enorme muligheter. Vi var blant de første i verden som skapte et nytt materiale, laget med de samme atomene som i et annet materiale, men med en ny krystallstruktur.

Naturen gjør dette selv. For eksempel er diamanter og grafitt, som blant annet utgjør innmaten i en blyant, bygd opp av de samme karbonatomene.

Dheeraj Dasa og Helge Weman. (Foto: Kai T. Dragland/NTNU)
Dheeraj Dasa og Helge Weman. (Foto: Kai T. Dragland/NTNU)

Men krystallstrukturen er ulik.

Og nå kan altså forskerne også endre på strukturen på atomnivå i nanotråder.

Supermaterialet grafén

Den neste store nyheten kom i 2012. Da hadde forskerne greid å få halvleder nanotråder til å vokse på supermaterialet grafén.

Grafén er det tynneste og sterkeste materialet som noensinne er laget. Denne oppdagelsen ble betegnet som en revolusjon i utviklingen av solceller og LED-komponenter.

På sikt kan grafén erstatte silisium som komponent i elektroniske kretser. I dag brukes silisium både for å produsere elektronikk og solceller.

Grafén leder strøm hundre ganger raskere enn silisium og er bare ett atom tykt, mens en silisiumskive normalt er flere millioner ganger tykkere.

Og sannsynligvis er grafén billigere enn silisium om få år.

Forskningsgruppen har fått stor oppmerksomhet internasjonalt for grafén-metoden. Weman og medgründerne Bjørn-Ove Fimland og Dong-Chul Kim har etablert selskapet CrayoNano AS som jobber med en patentert oppfinnelse som går ut på å gro halvleder nanotråder på grafén.

Metoden kalles molekylstråle-epitaksi (MBE), og hybridmaterialet har gode elektriske og optiske egenskaper.

– Vi viser hvordan vi kan bruke grafén til å lage mye mer effektive og fleksible elektronikkprodukter, i første omgang solceller og hvite lysdioder (LED). Lenger fram i tid ligger langt mer avanserte anvendelser, sier Weman.

Høyeffektive solceller

– Målet er å lage solceller som er mer effektive enn når de lages i tynnfilmteknologi, understreker han.

Tynnfilmteknologi er et begrep fra solcelleteknologien. Denne teknologien utvikler supertynne solcellepaneler der det aktive laget som konverterer sollyset til strøm, ikke er mer enn tre mikrometer tykt, altså tre tusendels millimeter.

Den lave vekten gjør solcellene enkle å transportere, installere og vedlikeholde, og kan i praksis rulles ut som «takpapp» på de fleste bygninger.

Nå muliggjør kombinasjonen av nanotråder og grafén langt bedre og enda mer fleksible solceller.

I tynnfilm sitter atomene kubisk, altså i en fast forhåndsdefinert struktur. Når forskerne manipulerer atomstrukturen inne i nanotråden, kan de gro både kubiske og heksagonale krystallstrukturer.

Elektronmikroskopi-bilde av wurtzite GaAs / AlGaAs nanotråder. (Foto: Dheeraj Dasa og Helge Weman, NTNU)
Elektronmikroskopi-bilde av wurtzite GaAs / AlGaAs nanotråder. (Foto: Dheeraj Dasa og Helge Weman, NTNU)

De ulike strukturene har helt ulike egenskaper, blant annet når det gjelder optiske egenskaper.

Nye oppdagelser, nye muligheter 

De siste par årene har forskningsgruppen blant annet jobbet med å studere den unike heksagonale krystallstrukturen i GaAs nanotråder.

– I samarbeid med IBM har vi nå oppdaget at om vi strekker på en slik nanotråd, så fungerer den veldig bra som en lysdiode. Og om vi trykker på nanotråden, fungerer den veldig bra som en fotodetektor, sier Weman.

Det er den heksagonale krystallstrukturen, kalt wurtzite, som gjør dette mulig. Det gjør at det er lettere for forskerne å endre strukturen for å optimalisere den optiske effekten for forskjellig bruk. 

På grunn av at man nå kan manipulere krystallstrukturen i nanotrådene, kan man skape høyeffektive solceller som gir høyere elektrisk effekt. 

Og det at CrayoNano nå kan gro nanotråder på det superlette, sterke og fleksible materialet grafén, gjør at de kan produsere svært fleksible og lette solceller.

CrayoNano-gruppen skal nå begynne med å gro galliumnitrid nanotråder som skal brukes i hvite lysdioder.

– Ett av våre mål er å lage galliumnitrid nanotråder i en nyinstallert MBE-maskin for å få lysdioder med bedre optiske egenskaper – og gro dem på grafén slik at de blir fleksible, lette og sterke.

Resultatene fra den nye studien ble publisert i Nature Communications denne uken.

Referanse:

G. Signorello m.fl.: Inducing a direct-to-pseudodirect bandgap transition in wurtzite GaAs nanowires with uniaxial stress. Nature Communications. April 2014. Doi:10.1038/ncomms4655 (Sammendrag)