Alignment and orientation of Nanowires in a thin film under the influence of an electric field

Abstract

The demand for cheaper and more efficient solar cells is high. One way to decrease cost of material, while maintaining a high degree of efficiency, is to take advantage of nanomaterials. A thin film containing pn-junction nanowires can convert light with an efficiency comparable to traditional planar cells, while using a fraction of the material, and thus reduce costs.

At the company Sol Voltaics, a tool for mass producing solar cell nanowires, called Aerotaxy, is used. This method uses aerosol seed particles to grow nanowires, as they flow through a heated pipe. The resulting, randomly distributed, nanowires need to be arranged in arrays such that they can be contacted and used to convert light to electricity. This project focuses on a method to achieve this by using an external electric field.

The solar cell nanowires contains a dipole moment due to their pn-junction. When an external electric field is applied over the nanowires, there is an interaction between the field and the dipole. An additional dipole moment is generated in the nanowire under the influence of the electric field, due to the polarization in the material. The junction dipole is directional in the sense that the plus pole and the minus pole is set, while the direction of the polarization dipole will depend on the position of the nanowire relative to the electric field. These two effect also have different dependence on the electric field strength. Therefore, it is here proposed that the degree of orientation of the aligned nanowires depends the strength of the applied field. The aim of this project was to realize the relative magnitude of the junction dipole and the polarization dipole. This was done by a combination of computations and experiments.

Modeling of the nanowire dipoles in an electric field show that all nanowires should orient for field strength below 0.26 V/µm, after which the polarization effect becomes dominant, resulting in decreasing orientation among the nanowires. In order to reach alignment, on the other hand, a higher field strength is required.

Thin films of pn-junction nanowires in PDMS were produced under the influence of an applied DC electric field. Results indicate a preferred direction of the nanowires in the electric field. However, higher field strengths were required for alignment of the nanowires, than was predicted from computations. The difference in field strength required for orientation of nanowires compared to alignment of nanowires creates a problem. The proposed solution to this problem is a gradually increased electric field strength.

Popular Abstract (Swedish)

Produktion av en nanotrådssolcell

För att ta itu med miljöpåverkan från växthusgaser krävs en övergång till förnyelsebara energikällor. Ett exempel på en sådan källa är nanotrådssolceller. I mitt examensarbete har jag undersökt hur nanotrådar kan arrangeras på sådant sätt som krävs för att kunna omvandla solljuset till elektricitet.

Global uppvärmning är ett hot som till stor del orsakas av utsläpp från förbränning för energiproduktion. Vi är därför i början av en mycket viktig och omfattande omställning till förnybara energikällor. Förutom vind- och vattenkraft är det också möjligt att använda solens strålar direkt för att skapa elektricitet, tack vare solceller! Sol Voltaics jobbar med en typ av solcell som använder sig av nanotrådar – långsmala stavar som är ungefär en tusendel så tjocka som hårstrån. Med hjälp av dessa små stavar är det möjligt att fånga upp ljuset endast med en tiondel av mängden material jämfört med vanliga plana solceller. Problemet med de små nanotrådarna är att de är så knepiga att få på plats, speciellt eftersom det krävs ungefär sex miljoner nanotrådar per kvadratmillimeter!

I mitt examensarbete har jag undersökt en metod för att arrangera nanotrådarna med hjälp av ett elektriskt fält. Solcellsnanotrådarna innehåller en så kallad pn-övergång, vilket är en övergång mellan två regioner med något olika egenskaper. Kring denna övergång sker en separation av laddade partiklar, vilket innebär att ena sidan är något positiv medan den andra sidan är något negativ. Om trådarna placeras i ett elektriskt fält, kommer den positiva sidan av tråden att dras mot minus-polen, och vice versa. Resultatet bör bli en roterande rörelse så att trådarna linjerar sig med fältlinjerna, på så sätt att alla pekar åt samma håll. Dock så finns det en annan effekt som uppstår när trådarna utsätts för ett elektriskt fält, vilken kan hämma den roterande rörelsen som leder till orienterade trådar. Den här effekten uppstår eftersom material består av positivt och negativt laddade partiklar (elektroner och protoner), vilka dras åt motsatt håll då de exponeras för ett elektriskt fält. Effekten av detta blir att trådens ändar blir motsatt laddade. Vilken ända som blir positivt laddad och vilken som blir negativ beror endast på hur tråden var riktad när fältet slogs på. Den här effekten kan därför antingen jobba med eller emot den rörelsen som leder till orienterade nanotrådar. För att ta reda på vad som egentligen händer jämfördes de två effekterna för att se vilka som är starkast. Detta gjordes genom modellering och med experiment.

Modelleringen visade att vid låga elektriska fält är den förstnämnda effekten dominant, vilket bör innebära att nanotrådarna blir linjerade och orienterade åt samma håll, precis som vi vill ha dem. Men desto högre fältstyrka, desto mer dominant blir effekten som inte tar hänsyn till riktning, vilket leder till en slumpmässig riktning på nanotrådarna. Experimenten indikerade att nanotrådarna har en prefererad riktning i det elektriska fältet. Resultaten är spännande, men fler experiment bör utföras där lägre fältstyrkor används för att se hur väl modellen faktiskt stämmer överens med verkligheten.

• author: Thorberg, Sara
• supervisor: Martin Magnusson; Per Viklund
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: FYSM31 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Nanowires, nanotechnology, solar cell, thin film, electric field
• language: English
• id: 8873629
• date added to LUP: 2016-06-08 09:35:23
• date last changed: 2016-11-15 14:09:34