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Des nanopiliers qui piègent plus de lumière
Un matériau doté d'une nouvelle nanostructure développé par des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley pourrait conduire à des cellules solaires et des détecteurs de lumière à moindre coût. Il absorbe la lumière aussi bien que les cellules solaires à couche mince du commerce, mais utilise beaucoup moins de matériau semi-conducteur.
Épais et mince : Une image au microscope électronique à balayage montre des nanopiliers de germanium piégeant la lumière à double diamètre.
Le nouveau matériau consiste en un ensemble de nanopiliers étroits en haut et plus épais en bas. Les sommets étroits permettent à la lumière de pénétrer dans le réseau sans se refléter. Le fond plus épais absorbe la lumière afin qu'elle puisse être convertie en électricité. La conception absorbe 99% de la lumière visible, par rapport aux 85% absorbés par une conception antérieure dans laquelle les nanopiliers avaient la même épaisseur sur toute leur longueur. Un film plat ordinaire du matériau n'absorberait que 15 pour cent de la lumière.
Les structures telles que les nanofils, les microfils et les nanopiliers sont excellentes pour piéger la lumière, réduisant ainsi la quantité de matériau semi-conducteur nécessaire, selon Erik Garnett , chercheur à l'Université de Stanford. Les nanofils et les nanopiliers utilisent la moitié à un tiers du matériau semi-conducteur requis par les cellules solaires à couche mince constituées de matériaux tels que le tellurure de cadmium, et aussi peu que 1% du matériau utilisé dans les cellules en silicium cristallin, dit-il. Ces structures facilitent également l'extraction de charges du matériau. Dans l'ensemble, ces améliorations pourraient rendre le solaire moins cher. Réduire les coûts des matériaux tout en obtenant la même quantité d'absorption de lumière et donc l'efficacité est très important pour les cellules solaires, dit Fan de Shanhui , professeur de génie électrique à Stanford.
De nombreux matériaux nanostructurés ont des conceptions complexes et nécessitent des méthodes de fabrication lourdes pour déposer plusieurs couches, explique Ali Javey , professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley qui dirige le nouveau travail, qui est publié dans le journal Lettres nano . Il dit que la technique pour faire croître les nanopiliers est relativement simple et peu coûteuse.
Les chercheurs fabriquent des nanopiliers de deux micromètres de haut, avec des bases de 130 nanomètres de diamètre et des pointes de 60 nanomètres de diamètre. Ils commencent par créer un moule pour les pores dans une feuille d'aluminium de 2,5 millimètres d'épaisseur. D'abord, ils anodisent le film pour créer un agencement de pores de 60 nanomètres de large et d'un micromètre de long. Ils exposent ensuite la feuille à l'acide phosphorique pour élargir les pores à 130 nanomètres - plus la feuille est exposée à l'acide, plus les pores sont larges. L'anodisation du film rend les pores existants d'un micromètre plus profonds, et cette longueur supplémentaire a le diamètre d'origine de 60 nanomètres. Des traces d'or sont ensuite déposées dans ces pores en tant que catalyseur pour faire croître des cristaux de matériau semi-conducteur - dans ce cas du germanium, ce qui est bon pour les photodétecteurs - à l'intérieur de chaque pore. Enfin, une partie de l'aluminium est gravée, laissant derrière elle un ensemble de nanopiliers de germanium intégrés dans une membrane d'oxyde d'aluminium
Javey dit que cette méthode de fabrication de nanopiliers de différents diamètres et formes est simple par rapport à d'autres approches, qui impliquent un assemblage complexe de matériaux couche par couche et des matériaux complexes qui combinent des fils avec des nanoparticules métalliques.
Garnett convient que la méthode de Javey pourrait être bon marché, mais dit qu'il est encore trop tôt pour savoir si la méthode peut se traduire par un processus de fabrication à grande échelle. La chose la plus excitante est la preuve que la nanostructuration peut augmenter considérablement l'absorption, dit-il.
En modifiant la disposition des piliers, il pourrait être possible de fabriquer des matériaux qui absorbent des longueurs d'onde infrarouges plus longues de la lumière, ce qui serait utile pour fabriquer des détecteurs de lumière infrarouge efficaces et bon marché. Depuis la soumission de la Lettres nano papier, les chercheurs ont également utilisé la technique pour fabriquer des nanopiliers de tellurure de cadmium, un matériau mieux adapté aux cellules solaires que le germanium.