Forskere har udviklet en ny form for halvlederlegering, der er i stand til at fange det næsten infrarøde lys, der er placeret på kanten af det synlige lysspektrum.
Lettere at fremstille og mindst 25 procent billigere end tidligere formuleringer, menes det at være verdens mest omkostningseffektive materiale, der kan fange nær-infrarødt lys - og er kompatibelt med galliumarsenid-halvledere, der ofte bruges i koncentrator-fotovoltaik.
"Koncentrator fotovoltaik kan drive næste generation." Koncentrator-solceller samler og fokuserer sollys på små, højeffektive solceller lavet af galliumarsenid eller germanium-halvledere. De er på vej til at opnå effektivitetsgrader på over 50 procent, mens konventionelle siliciumsolceller med fladskærme topper i midten af 20'erne.
"Silicium med fladt panel er dybest set maksimeret med hensyn til effektivitet," siger Rachel Goldman, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab samt fysik ved University of Michigan, hvis laboratorium udviklede legeringen. "Prisen på silicium falder ikke, og effektiviteten stiger ikke. Koncentrator fotovoltaik kan drive næste generation."
Varianter af solcelleanlæg i koncentrator findes i dag. De er lavet af tre forskellige halvlederlegeringer lagt sammen. Sprøjtet på en halvlederwafer i en proces kaldet molekylærstråleepitaxi - lidt ligesom spraymaling med individuelle elementer - hvert lag er kun et par mikrometer tykt. Lagene fanger forskellige dele af solspektret; lys, der trænger igennem det ene lag, opfanges af det næste.
Men nær-infrarødt lys glider uudnyttet gennem disse celler. I årevis har forskere arbejdet hen imod en undvigende "fjerde lag"-legering, der kunne klemmes ind i celler for at fange dette lys. Det er en stor ordre; legeringen skal være omkostningseffektiv, stabil, holdbar og følsom over for infrarødt lys med en atomstruktur, der matcher de tre andre lag i solcellen.
At få alle disse variabler rigtige er ikke let, og indtil nu har forskere siddet fast med uoverkommeligt dyre formler, der bruger fem elementer eller mere.
For at finde en enklere blanding udtænkte Goldmans team en ny tilgang til at holde styr på de mange variabler i processen. De kombinerede målemetoder på jorden, herunder røntgendiffraktion udført på universitetet og ionstråleanalyse udført på Los Alamos National Laboratory med specialbygget computermodellering.
Ved hjælp af denne metode opdagede de, at en lidt anden type arsenmolekyle ville parre sig mere effektivt med bismuten. De var i stand til at justere mængden af nitrogen og bismuth i blandingen, hvilket gjorde det muligt for dem at eliminere et yderligere fremstillingstrin, som tidligere formler krævede. Og de fandt præcis den rigtige temperatur, der ville gøre det muligt for elementerne at blande sig jævnt og klæbe sikkert til underlaget.
"'Magic' er ikke et ord, vi ofte bruger som materialeforskere," siger Goldman. "Men sådan føltes det, da vi endelig fik det rigtigt."
Fremgangen kommer i hælene på en anden innovation fra Goldmans laboratorium, der forenkler "doping"-processen, der bruges til at justere de elektriske egenskaber af de kemiske lag i galliumarsenid-halvledere.
Under doping anvender producenter en blanding af kemikalier kaldet "designer urenheder" for at ændre, hvordan halvledere leder elektricitet og give dem positiv og negativ polaritet svarende til elektroderne på et batteri. De dopingmidler, der normalt bruges til galliumarsenid-halvledere, er silicium på den negative side og beryllium på den positive side.
Beryllium er et problem - det er giftigt, og det koster omkring 10 gange mere end siliciumdoteringsmidler. Beryllium er også følsomt over for varme, hvilket begrænser fleksibiliteten under fremstillingsprocessen. Men holdet opdagede, at ved at reducere mængden af arsen under niveauer, der tidligere blev anset for acceptable, kan de "vende" polariteten af siliciumdopanter, hvilket gør dem i stand til at bruge det billigere, sikrere element til både de positive og negative sider.
"At være i stand til at ændre polariteten af bæreren er lidt som atomisk 'ambidexterity'," siger Richard Field, en tidligere doktorand, der arbejdede på projektet. "Ligesom mennesker med naturligt født ambidexterity, er det ret ualmindeligt at finde atomare urenheder med denne evne."
Tilsammen kunne den forbedrede dopingproces og den nye legering gøre halvlederne, der bruges i koncentrator-fotovoltaik, så meget som 30 procent billigere at producere, et stort skridt i retning af at gøre de højeffektive celler praktiske til elproduktion i stor skala.
"I bund og grund gør dette os i stand til at lave disse halvledere med færre atomare spraydåser, og hver dåse er væsentligt billigere," siger Goldman. "I fremstillingsverdenen er den form for forenkling meget væsentlig. Disse nye legeringer og dopingmidler er også mere stabile, hvilket giver producenterne mere fleksibilitet, når halvlederne bevæger sig gennem fremstillingsprocessen."
Den nye legering er beskrevet i et papir, der vises i tidsskriftet Applied Physics Letters. National Science Foundation og US Department of Energy Office of Science Graduate Student Research støttede forskningen.
Kilde: University of Michigan
Relaterede Bøger:
at InnerSelf Market og Amazon
