Наноиглы улучшат характеристики и лазеров, и солнечных ячеек

Выращивая строго выстроенные микроскопические игловидные кристаллы оксида цинка на поверхности монокристаллического кремния, исследователи из Университета наук и технологий Миссури (Missouri University of Science and Technology) разработали метод создания более эффективных солнечных ячеек. Профессор этого университета Джей Свитцер (Jay A. Switzer) и его коллеги утверждают, что их простой и недорогой технологический процесс может также привести к созданию новых материалов для ультрафиолетовых лазеров, твердотельных осветительных приборов и пьезоэлектрических устройств.

"Это напоминает кристаллизацию леденцовой карамели на нитке", — говорит Свитцер. Только вместо сахарной воды и нитки команда Свитцера выращивает наноиглы оксида цинка на монокристаллическом кремнии в стакане со щелочным раствором, насыщенным ионами цинка. Этот процесс приводит к появлению наклонных монокристаллических иглообразных стержней, которые вырастают на поверхности кремния, напоминая крошечные шипы. Эти иглы имеют диаметр 100-200 нм, а их длина составляет 1 мкм.

Оксид цинка является полупроводником, который обладает некоторыми необычными физическими свойствами, поясняют ученые. Этот материал и поглощает, и излучает свет, поэтому может использоваться в качестве солнечных ячеек для накопления энергии Солнца, а также в лазерах и твердотельных излучателях. Кремний также является полупроводником, но он поглощает свет в отличных от оксида цинка частях спектра. Выращивая оксид цинка на кремнии и помещая друг на друга два полупроводника, расширяется спектр солнечных лучей, которые могут быть восприняты. Соответственно, появляется возможность поглощать больше света и получать больше энергии.

Предыдущие попытки вырастить оксид цинка на кремнии ограничивались дорогостоящими сверхвысоковакуумными методами и высокой реакционной способностью кремния, из-за которой не было возможности расположить оксид цинка непосредственно на его поверхности без использования промежуточных слоев. Кроме того, усилия по эпитаксиальному расположению двух материалов до сих пор заканчивались безуспешно. Наклоняя наноиглы на 51°, команде Свитцера удалось сократить рассогласование с 40% до всего 0,2%, достигнув почти идеального выравнивания. Свитцер утверждает, что эпитаксиальное выравнивание очень важно для достижения высокой эффективности.

Исследование Свитцера проведено при содействии Управления фундаментальной энергетики и материаловедения (Office of Basic Energy Sciences and Materials Sciences) Министерства энергетики(Department of Energy) США.