Endringer på atomnivå inne i nanotråder gir enorme muligheter for forbedring på solceller og LED-lys. Nå har NTNU-forskere oppdaget at de kan designe nanotråder med innebygd spenning som gjør dem enda mer effektive i en solcelle.
NTNU-forskerne Dheeraj Dasa og Helge Weman har i samarbeid med IBM oppdaget at nanotråder med galliumarsenid (GaAs) kan tunes med hjelp av en liten spenning til å fungere effektivt enten som enlysdiode eller fotodetektor.
Det som muliggjør dette, er den spesielle heksagonale krystallstrukturen, kalt wurtzite, som NTNU-forskerne har lyktes å gro i MBE-laben på NTNU. Resultatene ble publisert i Nature Communications denne uken.
Les også: Ny type solceller kan forlenge batterilevetiden på telefoner
Gror nanotråder
De siste årene har det vært store gjennombrudd i forskningen innen nanotråder og grafén ved NTNU. I 2010 gikk professorene Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland og miljøet rundt dem ut med sine første banebrytende oppdagelser innen feltet.
Forskerne, som har groing av nanotråder som spesiale, hadde klart 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. NTNU-forskerne fant ut hvordan de kunne endre krystallstrukturen i nanotråder laget av galliumarsenid og andre halvledere.
Dermed var grunnen beredt 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. 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, sier Helge Weman ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon.
Naturen gjør dette selv. For eksempel er diamanter og grafitt, som blant annet utgjør innmaten i en blyant, bygd opp av de samme karbonatomene. Men krystallstrukturen er ulik.
Og nå kan også forskerne endre på strukturen på atomnivå.
Les også: Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp
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 100 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. Helge Weman og NTNU-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.
Grafén: Her finner de råstoffet til fremtidens supermateriale
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. De ulike strukturene har helt ulike egenskaper, blant annet når det gjelder optiske egenskaper.
Les også: Slik skal han gjøre solceller mer effektive
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. Det er den heksagonale krystallstrukturen, kalt wurtzite, som muliggjør det. Det gjør at det er lettere for oss å endre strukturen for å optimalisere den optiske effekten for ulike anvendelser.
– Det gjør også at vi nå har en mye bedre forståelse slik at vi nå kan designe nanotrådene med en liten innebygd trykkspenning for eksempel for at de skal bli mer effektive i en solcelle. Dette kan blant annet brukes til å utvikle ulike trykksensorer eller for å innhøste elektrisk energi når nanotrådene bøyes på, forteller Weman.
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.
Denne saken ble opprinnelig publisert på Gemini.no – et nettsted for forskningsnytt fra NTNU og Sintef. Artikkelforfatteren er tilknyttet NTNU.
Flere saker fra Gemini.no:
Norsk-dansk prosjekt jakter på antibiotika 2.0
