Low Cost, Ultra-High Efficiency Graphene Nanowire Solar Cells

Målet for GRANASOL prosjektet var å bringe forskningen på lavkost, høyeffektive III-V halvleder nanotråd-baserte solceller videre. Fokus for prosjektet har vært på fundamentale studier av GaAs(Sb)-nanotråd/grafén hybrid komponenter og solceller. Dette inkluderer framstilling og overføring av grafén som substrat for groing av GaAs(Sb)-nanotråder vha molekylstråleepitaksi (MBE). Ulike prototype GaAs(Sb)-nanotråd/grafén komponenter ble framstilt, inkludert med planar kontakt-konfigurasjon (dvs. med kontakt mot nanotråd sidevegg), samt GaAs-nanotråd/grafén solceller. Vi utviklet først en prosess for framstilling av GaAs enkelt-nanotråd/grafén hybrid komponenter med planar kontakt-konfigurasjon, inkludert en teknikk for utvelgelse, flytting og plassering av enkelt-nanotråder med sub-mikrometer presisjon på grafén-kontakter, eller for grafén-kontakter på enkelt-nanotråder. De elektriske egenskapene av disse komponentene ble grundig studert for to ulike konfigurasjoner: a) med grafén bunn-kontakt der (deler av) nanotråden ble plassert oppå grafén-kontakten og b) med grafén topp-kontakt der grafén-kontakten ble plassert oppå nanotråden. For topp-kontakt konfigurasjonen ble også kontakt mot nanotråd halvveis nedsenket (liggende) i polymer-resist undersøkt, samt at 2-elektrode komponenter med 1 grafén-kontakt og 1 metall-kontakt eller 2 grafén-kontakter ble undersøkt og sammenlignet med konvensjonelle metall/p-GaAs-nanotråd 2-elektrode komponenter. Vår ny-utviklede teknikk med topp-kontakter mot nanotråder halvveis nedsenket i polymer-resist ga store forbedringer i de elektriske egenskapene til komponentene. Teknikken resulterer i bedre og mer pålitelige kontakter, samt bedre strømtransport-egenskaper i selve nanotråden grunnet mindre ladningsbærer-deplesjon i nedsenkede nanotråder. Det siste har vi også forklart i en parallell-motstand modell. Mens grafén topp-kontakter på ikke-nedsenkede nanotråder viste seg å være upålitelige (ikke-reproduserbare), viste grafén topp-kontakter på nedsenkede nanotråder seg å være både pålitelige og med elektriske egenskaper på høyde med metall-kontakter, og dermed godt egnet som transparente elektroder. I siste del av GRANASOL prosjektet ble det fokusert på fabrikasjon av GaAs(Sb) nanotråd-baserte solcelle-komponenter med aksielle eller radielle p-i-n overganger, der komponenter ble framstilt med metall og grafén elektroder optimalisert som beskrevet ovenfor. For GaAs nanotråder med radiell p-i-n overgang utviklet vi en tilnærming der vi studerte GaAs nanotråd-baserte solcelle-komponenter via analyse av mørkestrøm-spenning karakteristikker fra tre ulike probe-metoder: a) på enkelt-nanotråd komponent, b) på multi-nanotråd komponent og c) direkte probing av individuelle nanotråder (som grodd) ved hjelp av wolfram nano-prober i et fokusert ionestråle (FIB) system. Hver enkelt av disse metodene hjalp oss til å eliminere en eller flere mulige store problemer individuelt, og til sammen bidro de til vår forståelse av nanotråd-solcella for maksimering av solcelle-effektiviteten. Fra multi-nanotråd solcella observerte vi likerettende I-V karakteristikk, men med stor lekkasjestrøm i revers forspenning. For å undersøke opprinnelsen til lekkasjestrømmen ble I-V karakteristikkene til vertikalt-stående nanotråder målt individuelt ved hjelp av en nano-probe teknikk. Rundt 75% av de målte nanotrådene viste veldig god likerettende I-V karakteristikk, men de resterende 25% viste høy lekkasjestrøm eller til og med ikke-likerettende oppførsel grunnet delvis kortslutning via uønsket kontakt mellom n-type nanotråd skall-lag og substratet. Denne type kortslutning ble funnet å være grunnen til den høye lekkasjestrømmen når en komplett multi-nanotråd solcelle komponent ble målt. For GaAs nanotråder med aksiell p-i-n overgang ble et AlGaAs skall grodd for å oppnå bedre passivering av nanotråd-overflata. Etter prosessering av en multi-nanotråd komponent ble strøm-spenning (I-V) karakteristikken målt i mørke. En veldig svak diode-likeretting ble imidlertid observert i I-V og mørkestrømmen ble funnet å være høy. Det ble funnet at den n-type dopede delen av nanotråden ledet signifikant mindre strøm enn den p-type dopede delen (nærmest substratet). Måleresultatene indikerte også at et n-type dopet skall ble grodd radielt i løpet av den aksielle groingen av n-type dopet nanotråd, og dermed dannelse av en kortslutnings-sti mot substratet utenpå den p-type dopede nanotråd-delen. Ved til slutt å utføre en ex-situ etsing av n-GaAs skallet ble tydelig likeretting oppnådd fra en aksiell-overgang GaAs enkelt-nanotråd-basert solcelle. Solceller basert på GaAs multi-nanotråder (array) med aksielle overganger ble deretter framstilt, der det uønskede n-skallet ble etset bort etter groing og før solcelle-prosessering. Ved prosjektslutt hadde vi oppnådd GaAs nanotråd-basert solcelle med en fotokonverteringseffektivitet på 7% under 1 sol forhold.

Results from the GRANASOL project will be beneficial for future research studies in academia as well as for development work in industry to develop low cost high-efficiency nanowire/graphene hybrid solar cells. With further studies and development these solar cells may eventually outperform Si-solar cell technology and thereby has the potential to strongly contribute to the solution of the global energy and climate change problems in the future. By using III-V nanowire/graphene solar cells one can also expect a substantial positive environmental impact. This is especially true for nanowire solar cells grown on graphene as they are essentially "substrate-free" (i.e. reduced use of expensive and resource-limited compound substrates) and use a minimum amount of material in the active nanowires.

For future optoelectronic applications, III-V nanowires (NWs) are one of the most promising nanostructures among conventional inorganic semiconductor materials. Graphene is currently receiving enormous attention world-wide for several application areas as it has many unique properties that cannot be achieved in conventional inorganic semiconductors. Especially, due to high optical transparency, electric and thermal conduction, flexibility and demonstration of large scale production of graphene, it is now poised as a future low cost flexible electrode material for solar and display applications. Our IP-protected discovery in 2010 of epitaxial growth of III-V semiconductor NWs on graphene imply that graphene can be used as an electrode and "substrate" sim ultaneously making the realization of novel semiconductor/grahene hybrid systems possible (III-V semiconductor NW/graphene hybrid). Most of all, by combining these two materials with each of their own supreme properties, a large impact for especially nano -optoelectronic device applications is expected. One of the most promising applications of III-V NW/graphene hybrid systems are for solar cells. In this project structured studies on such NW/graphene hybrid solar cell will be carried out. This includes th e synthesis of graphene to its transfer and use as a template for the growth of positioned epitaxial III-V NWs by molecular beam epitaxy. Different prototype NW/graphene hybrid solar cells will be fabricated and the efficiency will be measured in a solar simulator. The ultimate goal is to realize low cost, ultra-high efficiency III-V semiconductor NW solar cells. The low cost will come from minimal material usage and by using commercial roll-to-roll graphene as a substrate. Ultra-high efficiencies is base d on our recent simulations predicting efficiencies for radial p-n junction NW solar cells more than twice (~70%) the limit of planar junctions.