Silicon nanowires : photovoltaic and thermoelectric applications

Abstract

Örtækni gegnir þýðingarmiklu og vaxandi hlutverki við nútíma orkuöflun og orkuvinnslu. Markmið þessa verkefnis er að beita örtækni til að framleiða sólarhlöð og varmahlöð (e. thermoelectric cell), byggð á örgrönnum kísilvírum, til orkuvinnslu. Kostir nanóvíra í sólarhlöðum eru m.a. stórt eðlisyfirborð og þar með meiri ljósupptaka (þ.e. aukin ljósgleypni). Varmahlöð framleiða rafstraum með því því að virkja hitastigs-mismun milli tveggja svæða en nýtnihlutfall slíkra tækja er almennt lágt. Helsti möguleikinn til að bæta nýtni varmahlaða felst í að minnka varmaleiðni virka efnisins í því án þess að minna rafleiðnina. Vandamálið er hinsvegar að almennt eykst varmaleiðni í réttu hlutfalli við aukna rafleiðni. Örvírar, með þvermál um og undir 250nm, eru hinsvegar þeim eiginleikum gæddir að varmaleiðni þeirra lækkar verulega borið saman við bolefni (e. bulk material) á sama tíma og rafleiðnin breytist lítið. Í þessu verkefni voru smíðaðar breiður af reglubundnum kísil örvírum. Með því að láta frumefnið antimony (Sb) sveima inn í yfirborð örvíranna tókst að útbúa p-n samskeyti og fá þannig virkt sólarhlað. Tómgangspennan (e. open circuit voltage) og nýtni sólarhlaðsins var 411mV og 6.46%, mælt í sólarhermi. Ennfremur var í verkefninu útbúinn búnaður til mælingar á varmaleiðni örvíranna.

Nanotechnology plays a significant and growing role in modern power generation and energy production.The objective of this project is the application of nanotechnology to produce solar cells and thermoelectric cells, based on silicon nanowires, for energy production.The advantages of nanowires in solar cells are, among others a large surface area and thus more light absorption (ie increased absorbance).Thermoelectric cell produces electrical current by activating temperature differences between two areas but the efficiency of such devices is generally low.Primary means to increase the efficiency of thermoelectric cells is to reduce the thermal conductivity of the active substance without reducing the electrical conductivity.Problem is, however, that generally thermal conductivity increases in proportion to increased electrical conductivity.Nanowires, with diameter of less then 250nm, however, are characterized by the fact that their thermal conductivity decreases significantly compared to bulk material while retaining most of their electrical conductivity.In this project, arrays of periodic silicon nanowires were fabricated.By diffusion of antimony into the surface of the nanowires, it was possible to create a p-n junction, thus making an active solar cell.The open circuit voltage and efficiency of the solar cell was 411mV and 6.46%,respectively, measured in a solar simulator.Furthermore, equipment for measuring thermal conductivity of nanowires was made.