Исследователи разработали новый вид полупроводникового сплава, способного захватывать ближний инфракрасный свет, расположенный на краю спектра видимого света.

Считается, что легче производить и, по крайней мере, 25 процентов дешевле, чем предыдущие составы, он считается самым экономичным в мире материалом, который может захватывать ближний инфракрасный свет и совместим с полупроводниками арсенида галлия, которые часто используются в фотоэлектрических концентраторах.

«Концентрационная фотогальваника может приводить в действие следующее поколение». Фотоэлементы концентратора собирают и фокусируют солнечный свет на небольшие высокоэффективные солнечные элементы, изготовленные из арсенида галлия или германиевых полупроводников. Они находятся на пути к достижению КПД более 50 процентов, в то время как обычные плоские кремниевые солнечные элементы выходят в середине 20.

«Плоский кремний в основном максимизирован с точки зрения эффективности, - говорит Рейчел Голдман, профессор материаловедения и техники, а также физика в Мичиганском университете, чья лаборатория разработала сплав. «Стоимость кремния не снижается, а эффективность не растет. Концентрационная фотоэлектрическая система может подключить следующее поколение ».

Сегодня существуют разновидности фотогальваники концентратора. Они состоят из трех разных полупроводниковых сплавов, слоистых вместе. Опрыскивается на полупроводниковой пластине в процессе, называемом молекулярно-лучевой эпитаксией - немного напоминает распылительную окраску с отдельными элементами - каждый слой имеет толщину всего в несколько микрон. Слои захватывают различные части солнечного спектра; свет, который проходит через один слой, захватывается следующим.

Но ближний инфракрасный свет проскальзывает сквозь эти клетки. В течение многих лет исследователи работали над неуловимым сплавом «четвертого слоя», который мог быть зажат в клетках, чтобы захватить этот свет. Это высокий порядок; сплав должен быть экономически эффективным, стабильным, долговечным и чувствительным к инфракрасному свету, с атомной структурой, которая соответствует другим трем слоям в солнечном элементе.

Получение всех этих переменных нелегко, и до сих пор исследователи застряли с непомерно дорогими формулами, которые используют пять элементов или больше.

Чтобы найти более простой микс, команда Goldman разработала новый подход для хранения вкладок во многие переменные в процессе. Они объединили методы измерения на месте, включая рентгеновскую дифракцию, выполненную в университете, и анализ ионного пучка, выполненный в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, с компьютерным моделированием на заказ.

Используя этот метод, они обнаружили, что несколько иной тип молекулы мышьяка будет более эффективно соединяться с висмутом. Они смогли настроить количество азота и висмута в смеси, что позволило им устранить дополнительную стадию производства, требуемую предыдущими формулами. И они нашли точно правильную температуру, которая позволила бы элементам плавно перемещаться и надежно прилипать к подложке.

«« Волшебство »- это не то слово, которое мы часто используем в качестве ученых-материалов, - говорит Голдман. «Но это то, что было похоже, когда мы наконец поняли это».

Продвижение приходит к следующему новшеству из лаборатории Голдмана, что упрощает «легирующий» процесс, используемый для настройки электрических свойств химических слоев в полупроводниках арсенида галлия.

Во время допинга производители применяют смесь химических веществ, называемых «дизайнерскими примесями», чтобы изменить, как полупроводники проводят электричество и дают им положительную и отрицательную полярность, аналогичные электродам батареи. Допирующие агенты, обычно используемые для полупроводников арсенида галлия, представляют собой кремний с отрицательной стороны и бериллий с положительной стороны.

Бериллий является проблемой - он токсичен, и он стоит примерно в 10 раз больше, чем кремниевые присадки. Бериллий также чувствителен к теплу, что ограничивает гибкость во время производственного процесса. Но команда обнаружила, что, уменьшая количество мышьяка ниже уровней, которые ранее считались приемлемыми, они могут «переворачивать» полярность легирующих примесей кремния, позволяя им использовать более дешевый, более безопасный элемент как для положительной, так и для отрицательной сторон.

«Возможность изменить полярность перевозчика - это нечто вроде атомной« амбивалентности », - говорит Ричард Филд, бывший докторант, который работал над проектом. «Подобно людям с естественной природой, довольно редко встречаются атомные примеси с этой способностью».

Вместе улучшенный процесс легирования и новый сплав могли бы сделать полупроводники, используемые в фотоэлектрических элементах концентратора, а 30 процентов дешевле производить, что является большим шагом на пути к созданию высокоэффективных ячеек для крупномасштабного производства электроэнергии.

«По сути, это позволяет нам сделать эти полупроводники с меньшим количеством баллонов с атомным спреем, и каждый из них может быть значительно дешевле», - говорит Голдман. «В мире производства такое упрощение очень важно. Эти новые сплавы и легирующие добавки также более стабильны, что дает производителям большую гибкость, поскольку полупроводники движутся в процессе производства ».

Новый сплав подробно описан в журнале, появляющемся в журнале Applied Physics Letters, Национальный научный фонд и Департамент энергетики США по науке о высшем образовании участвовали в исследовании.

Источник: Мичиганский университет

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon