Denna Magic Alloy kan betyda billigare solkraft

Forskare har utvecklat en ny typ av halvledarlegering som kan fånga det nära infraröda ljuset som ligger på kanten av det synliga ljusspektret.

Det är lättare att tillverka och minst 25 procent mindre kostsamt än tidigare formuleringar. Det anses vara världens mest kostnadseffektiva material som kan fånga nära infrarött ljus och är kompatibelt med galliumarsenidhalvledarna som ofta används i koncentratorfotovoltaik.

"Koncentrator photovoltaics kan driva nästa generation." Koncentrator fotovoltaics samla och fokusera solljus på små, högaffektiv solceller gjorda av galliumarsenid eller germanium halvledare. De är på rätt spår för att uppnå effektivitetsgrader över 50-procent, medan konventionella platta silikoncellceller stiger ut i mitten av 20.

"Plattskisilikon är i grunden maximal effektiv när det gäller effektivitet", säger Rachel Goldman, professor i materialvetenskap och teknik, samt fysik vid University of Michigan, vars laboratorium utvecklade legeringen. "Kostnaden för kisel går inte ner och effektiviteten går inte upp. Koncentrator photovoltaics kunde driva nästa generation. "

Varianter av koncentrator photovoltaics finns idag. De är gjorda av tre olika halvledarlegeringar skiktade ihop. Sprajs på en halvledarplatta i en process som kallas molekylär-strålsepitaxa - lite som sprutmålning med enskilda element - varje lager är bara några mikron tjockt. Skikten fångar olika delar av solspektret; ljus som kommer genom ett lager är fångat av nästa.

Men nära infrarött ljus glider genom dessa celler oanvända. I åratal har forskare arbetat mot en elusiv "fjärde lager" -legering som kan smörjas in i celler för att fånga detta ljus. Det är en lång order; legeringen måste vara kostnadseffektiv, stabil, hållbar och känslig mot infrarött ljus, med en atomstruktur som matchar de andra tre skikten i solcellen.


innerself prenumerera grafik


Att få alla dessa variabler rätt är inte lätt, och till och med har forskare fastnat med otillbörligt dyra formler som använder fem element eller mer.

För att hitta en enklare mix, utvecklade Goldmans team ett nytt tillvägagångssätt för att hålla flikar på de många variablerna i processen. De kombinerade jordmätningsmetoder inklusive röntgendiffraktion gjord vid universitetet och jonbalkanalysen som gjordes på Los Alamos National Laboratory med specialbyggd datormodellering.

Med hjälp av denna metod upptäckte de att en något annorlunda typ av arsenmolekyl skulle para mer effektivt med vismut. De kunde justera mängden kväve och vismut i blandningen, så att de kunde eliminera ett ytterligare tillverkningssteg som tidigare formuleringar krävde. Och de hittade exakt rätt temperatur som skulle göra det möjligt för elementen att blanda smidigt och hålla fast vid underlaget säkert.

"Magic" är inte ett ord som vi ofta använder som materialforskare, säger Goldman. "Men det var det som kändes när vi äntligen fick det rätt."

Förskottet kommer på hälen av en annan innovation från Goldmans laboratorium som förenklar "dopning" -processen som används för att finjustera de kemiska lagrets elektriska egenskaper i galliumarsenidhalvledare.

Under dopningen applicerar tillverkare en blandning av kemikalier som heter "designade föroreningar" för att ändra hur halvledarna leder elektricitet och ger dem positiv och negativ polaritet som liknar elektroderna i ett batteri. Dopningsmedel som vanligtvis används för halvhalogenider av galliumarsenid är kisel på den negativa sidan och beryllium på den positiva sidan.

Beryllium är ett problem - det är giftigt och det kostar ungefär 10 gånger mer än kiseldioxid. Beryllium är också känsligt för värme, vilket begränsar flexibiliteten under tillverkningsprocessen. Men laget upptäckte att genom att minska mängden arsenik under nivåer som tidigare ansetts acceptabla kan de "flip" polariteten av kiseldioxidmedel, så att de kan använda det billigare och säkrare elementet för både positiva och negativa sidor.

"Att kunna förändra bärarens polaritet är typ av som atomisk" ambidexterity ", säger Richard Field, en tidigare doktorand som arbetade med projektet. "Precis som människor med naturligt född ambidexterity, är det ganska ovanligt att hitta atomiska föroreningar med denna förmåga."

Tillsammans kan den förbättrade dopningsprocessen och den nya legeringen göra halvledarna som används i koncentratorfotovoltaik så mycket som 30-procent billigare att producera, ett stort steg mot att effektivisera cellerna med stor effektivitet för storskalig elproduktion.

"Det här gör det möjligt för oss att göra dessa halvledare med färre atomsprayburkar, och varje burk är betydligt billigare", säger Goldman. "I tillverkningsvärlden är den typen av förenkling väldigt signifikant. Dessa nya legeringar och dopmedel är också stabilare, vilket ger tillverkarna större flexibilitet när halvledarna går igenom tillverkningsprocessen. "

Den nya legeringen är detaljerad i ett papper som visas i tidningen Applied Physics Letters. National Science Foundation och US Department of Energy Office of Science Graduate Student Research stödde forskningen.

källa: University of Michigan

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon