A kutatók egy újfajta félvezető ötvözetet fejlesztettek ki, amely képes a látható fényspektrum szélén elhelyezkedő közeli infravörös fény befogására.
Könnyebben gyártható és legalább 25 százalékkal olcsóbb, mint a korábbi készítmények, úgy gondolják, hogy ez a világ legköltséghatékonyabb anyaga, amely közel infravörös fényt képes elfogni-és kompatibilis a galícium-arzenid félvezetőkkel, amelyeket gyakran használnak a koncentrátoros fotovoltaikus rendszerekben.
"A koncentrált fotovoltaikus áramellátás a következő generációt táplálja." A koncentrátor fotovoltaikus elemek összegyűjtik és a napfényt kis gallér-arzenidből vagy germánium félvezetőkből készült, nagy hatékonyságú napelemekre irányítják. Jó úton haladnak, hogy elérjék az 50 százalék feletti hatékonyságot, míg a hagyományos, síkképernyős szilícium napelemek a 20-as évek közepén emelkednek ki.
„A síkpaneles szilícium a hatékonyság szempontjából alapvetően ki van használva”-mondja Rachel Goldman, az anyagtudomány és a mérnöki tudományok, valamint a Michigani Egyetem fizika professzora, akinek laboratóriuma kifejlesztette az ötvözetet. „A szilícium ára nem csökken, a hatékonyság pedig nem emelkedik. A koncentrált fényelektromos energiák táplálhatják a következő generációt. ”
A koncentrátoros fotovoltaikus rendszerek ma sokfélék. Három különböző félvezető ötvözetből készülnek. Félvezető lapkára permetezve a molekuláris sugárzású epitaxiának nevezett eljárásban-kicsit olyan, mint az egyes elemeket tartalmazó festékfestés-minden réteg csak néhány mikron vastag. A rétegek a napspektrum különböző részeit rögzítik; az egyik rétegen átjutó fényt a következő rögzíti.
De a közeli infravörös fény épségben átcsúszik ezeken a sejteken. A kutatók évek óta azon dolgoznak, hogy megfoghatatlan „negyedik rétegű” ötvözetet dolgozzanak ki, amelyet sejtekbe lehet beágyazni, hogy elkapják ezt a fényt. Ez egy magas rend; az ötvözetnek költséghatékonynak, stabilnak, tartósnak és érzékenynek kell lennie az infravörös fényre, atomi szerkezetével, amely illeszkedik a napelem másik három rétegéhez.
Ezeknek a változóknak a helyes beállítása nem könnyű, és eddig a kutatók megragadtak a megfizethetetlenül drága képleteknél, amelyek öt vagy több elemet használnak.
Egy egyszerűbb keverék megtalálása érdekében Goldman csapata új megközelítést dolgozott ki a folyamat számos változójának nyomon követésére. Kombinálták a földi mérési módszereket, beleértve az egyetemen végzett röntgendiffrakciót és a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban elvégzett ionnyaláb-elemzést az egyedi számítógépes modellezéssel.
Ezzel a módszerrel felfedezték, hogy egy kicsit más típusú arzénmolekula hatékonyabban párosul a bizmuttal. Képesek voltak módosítani a nitrogén és a bizmut mennyiségét a keverékben, lehetővé téve számukra, hogy megszüntessék a korábbi képletek által megkövetelt további gyártási lépést. És pontosan megtalálták a megfelelő hőmérsékletet, amely lehetővé teszi az elemek zökkenőmentes keveredését és biztonságos tapadását az aljzathoz.
"A" mágia "nem olyan szó, amelyet gyakran használunk anyagtudósként" - mondja Goldman. - De ez olyan érzés volt, amikor végre jól döntöttünk.
Az előrelépés a Goldman laboratóriumának egy másik újításának a sarkán van, amely leegyszerűsíti a „dopping” eljárást, amelyet a gallium -arzenid félvezetők kémiai rétegeinek elektromos tulajdonságainak javítására használnak.
A doppingolás során a gyártók vegyszereket használnak, amelyeket „tervezői szennyeződéseknek” neveznek, hogy megváltoztassák a félvezetők elektromos áramvezetését, és pozitív és negatív polaritást kapjanak, mint az akkumulátor elektródái. A gallium -arzenid félvezetőknél általában használt doppingszerek a szilícium a negatív oldalon és a berillium a pozitív oldalon.
A berillium problémát okoz - mérgező és körülbelül tízszer többe kerül, mint a szilícium adalékanyagok. A berillium hőre is érzékeny, ami korlátozza a rugalmasságot a gyártási folyamat során. A csapat azonban felfedezte, hogy ha az arzén mennyiségét a korábban elfogadhatónak tartott szint alá csökkentik, "megfordíthatják" a szilícium adalékanyagok polaritását, lehetővé téve számukra, hogy az olcsóbb, biztonságosabb elemet használják mind a pozitív, mind a negatív oldalra.
„A hordozó polaritásának megváltoztatása olyan, mint az atomi„ ambidexterity ”” - mondja Richard Field, egy korábbi doktorandusz, aki dolgozott a projekten. "Csakúgy, mint a természetben született kétoldali ügyességű emberek, meglehetősen ritka, hogy atomi szennyeződéseket találnak ezzel a képességgel."
A továbbfejlesztett doppingfolyamat és az új ötvözet együttesen akár 30 százalékkal olcsóbbá teheti a koncentrátoros fotovoltaikus rendszerekben használt félvezetőket, ami nagy lépés a nagy hatékonyságú cellák gyakorlati megvalósításában a nagyüzemi villamosenergia-termelésben.
"Lényegében ez lehetővé teszi számunkra, hogy ezeket a félvezetőket kevesebb atomporlasztó dobozzal készítsük el, és mindegyik doboz lényegesen olcsóbb" - mondja Goldman. „A gyártás világában ez a fajta egyszerűsítés nagyon jelentős. Ezek az új ötvözetek és adalékanyagok is stabilabbak, ami nagyobb rugalmasságot biztosít a gyártóknak, ahogy a félvezetők haladnak a gyártási folyamat során. ”
Az új ötvözetet a folyóiratban megjelent cikk részletezi Alkalmazott fizikai betűk. A Nemzeti Tudományos Alapítvány és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma Tudományos Iroda Graduate Student Research támogatta a kutatást.
Forrás: University of Michigan
Kapcsolódó könyvek:
at InnerSelf Market és Amazon
