Forskere har utviklet en ny type halvleder legering som er i stand til å fange det nærinfrarøde lyset som befinner seg på kanten av det synlige lysspekteret.
Lettere å produsere og minst 25 prosent mindre kostbar enn tidligere formuleringer, antas det å være verdens mest kostnadseffektive materiale som kan fange nær infrarødt lys og er kompatibelt med gallium arsenid-halvlederene som ofte brukes i konsentratorfotovoltaika.
"Konsentratorfotovoltaikene kunne drive neste generasjon." Konsentratorfotovoltaik samler og fokuserer sollys på små, høyeffektive solceller laget av galliumarsenid eller germanium halvledere. De er på rette spor for å oppnå effektivitetsgrader på over 50-prosent, mens konvensjonelle flat-panel silisium solceller topp ut i midten av 20s.
"Flat-silisium er i utgangspunktet maksimalt med hensyn til effektivitet," sier Rachel Goldman, professor i materialvitenskap og ingeniørfag, samt fysikk ved University of Michigan, der laboratoriet utviklet legeringen. "Kostnaden for silisium går ikke ned og effektiviteten går ikke opp. Konsentratorfotovoltaik kan gi strøm til neste generasjon. "
Varianter av konsentratorfotovoltaikk finnes i dag. De er laget av tre forskjellige halvleder legeringer lagdelt sammen. Sprøytet på en halvlederwafer i en prosess som kalles molekylærstråle-epitakse - litt som sprøytemaling med individuelle elementer - hvert lag er bare noen få mikron tykk. Lagene fanger forskjellige deler av solspekteret; lys som kommer gjennom ett lag er fanget av det neste.
Men nær-infrarødt lys glir gjennom disse cellene ubemannet. I årevis har forskere jobbet mot en elusiv "fjerde lag" -legering som kunne smelte inn i celler for å fange dette lyset. Det er en høy rekkefølge; Legeringen må være kostnadseffektiv, stabil, holdbar og følsom overfor infrarødt lys, med en atomstruktur som samsvarer med de tre andre lagene i solcellen.
Å få alle disse variablene riktig er ikke lett, og til nå har forskerne stått fast med uoverkommelig dyre formler som bruker fem elementer eller mer.
For å finne en enklere blanding, utviklet Goldmans team et nytt tilnærming for å holde tabs på de mange variablene i prosessen. De kombinerte jordmålinger, inkludert røntgendiffraksjon gjort ved universitetet og ionstråleanalyse gjort på Los Alamos nasjonale laboratorium med spesialbygd datamodellering.
Ved å bruke denne metoden oppdaget de at en litt annen type arsenmolekyl ville kombinere mer effektivt med vismut. De klarte å justere mengden av nitrogen og vismut i blandingen, slik at de kunne eliminere et ekstra produksjonssteg som tidligere formler krevde. Og de fant akkurat den riktige temperaturen som ville gjøre det mulig for elementene å blande seg jevnt og holde fast på underlaget sikkert.
"Magic" er ikke et ord vi ofte bruker som materialforskere, sier Goldman. "Men det var det det føltes som når vi endelig fikk det riktig."
Forskjellen kommer på hælene til en annen innovasjon fra Goldmans laboratorium som forenkler "doping" -prosessen som brukes til å justere de kjemiske lagens elektriske egenskaper i gallium arsenid-halvledere.
Under doping bruker produsentene en blanding av kjemikalier kalt "designer urenheter" for å endre hvordan halvledere fører strøm og gir dem positiv og negativ polaritet som ligner elektrodene på et batteri. Dopningsmidlene som vanligvis brukes til halvledere av galliumarsenid er silisium på den negative siden og beryllium på den positive siden.
Beryllium er et problem, det er giftig, og det koster om 10 ganger mer enn silisiumdopemidler. Beryllium er også følsom for varme, noe som begrenser fleksibiliteten under produksjonsprosessen. Men laget oppdaget at ved å redusere mengden arsen under nivåer som tidligere ble ansett som akseptable, kan de "flippe" polariteten av silisiumdopemidler, slik at de kan bruke det billigere og sikrere elementet for både de positive og negative sidene.
"Å kunne endre polariteten til transportøren er litt som atomisk" ambidexterity ", sier Richard Field, en tidligere doktorgradsstudent som jobbet med prosjektet. "Som mennesker med naturlig født ambidexterity, er det ganske uvanlig å finne atomiske urenheter med denne evnen."
Sammen kan den forbedrede dopingsprosessen og den nye legeringen gjøre halvlederne brukt i konsentratorfotovoltaik så mye som 30-prosent billigere å produsere, et stort skritt mot å gjøre de høyeffektiviserende cellene praktiske for storskala elproduksjon.
"Dette gjør det i hovedsak mulig å lage disse halvledere med færre atomspraybokser, og hver boks er betydelig billigere, sier Goldman. "I produksjonsverdenen er den typen forenkling svært viktig. Disse nye legeringene og dopantene er også mer stabile, noe som gir beslutningstakere større fleksibilitet når halvledere beveger seg gjennom produksjonsprosessen. "
Den nye legeringen er detaljert i et papir som vises i journalen Applied Physics Letters. National Science Foundation og US Department of Energy Office of Science Graduate Student Research støttet forskningen.
kilde: University of Michigan
Relaterte bøker:
at InnerSelf Market og Amazon
