Acest aliaj magic ar putea însemna o energie solară mai ieftină

Cercetătorii au dezvoltat un nou tip de aliaj semiconductor capabil să capteze lumina în infraroșu apropiat situată la marginea spectrului luminii vizibile.

Mai ușor de fabricat și cu cel puțin 25% mai puțin costisitor decât formulările anterioare, se crede că este cel mai rentabil material din lume, care poate capta lumina în infraroșu apropiat - și este compatibil cu semiconductorii de arsenidă de galiu adesea folosiți în concentratorul fotovoltaic.

„Concentratorul fotovoltaic ar putea alimenta următoarea generație.” Fotovoltaicul concentrator adună și focalizează lumina soarelui pe celule solare mici, de înaltă eficiență, realizate din arsenidă de galiu sau semiconductori de germaniu. Sunt pe drumul cel bun pentru a atinge rate de eficiență de peste 50%, în timp ce celulele solare cu ecran plat convenționale din siliciu depășesc la mijlocul anilor '20.

„Siliciul cu ecran plat este practic maximizat din punct de vedere al eficienței”, spune Rachel Goldman, profesor de știință și inginerie a materialelor, precum și fizică la Universitatea din Michigan, al cărui laborator a dezvoltat aliajul. „Costul siliciului nu scade, iar eficiența nu crește. Fotovoltaica concentratoare ar putea alimenta următoarea generație. ”

Există astăzi varietăți de concentrator fotovoltaic. Acestea sunt fabricate din trei aliaje semiconductoare diferite stratificate împreună. Pulverizat pe o placă semiconductoare într-un proces numit epitaxie cu fascicul molecular - un pic ca vopsirea prin pulverizare cu elemente individuale - fiecare strat are doar câțiva microni grosime. Straturile captează diferite părți ale spectrului solar; lumina care trece printr-un strat este capturată de următoarea.

Dar lumina în infraroșu apropiat alunecă prin aceste celule neexploatate. De ani de zile, cercetătorii lucrează pentru un aliaj evaziv de „al patrulea strat” care ar putea fi blocat în celule pentru a capta această lumină. Este o comandă înaltă; aliajul trebuie să fie rentabil, stabil, durabil și sensibil la lumina infraroșie, cu o structură atomică care se potrivește cu celelalte trei straturi din celula solară.


innerself abonare grafică


Realizarea corectă a tuturor acestor variabile nu este ușoară și, până acum, cercetătorii au fost lăsați cu formule prohibitiv de costisitoare care utilizează cinci elemente sau mai mult.

Pentru a găsi un amestec mai simplu, echipa Goldman a conceput o abordare nouă pentru a ține la curent numeroasele variabile din proces. Au combinat metode de măsurare la sol, inclusiv difracția de raze X făcută la universitate și analiza fasciculului de ioni realizată la Laboratorul Național Los Alamos cu modelare computerizată personalizată.

Folosind această metodă, au descoperit că un tip ușor diferit de moleculă de arsenic s-ar împerechea mai eficient cu bismutul. Au fost capabili să ajusteze cantitatea de azot și bismut din amestec, permițându-le să elimine o etapă de fabricație suplimentară necesară de formulele anterioare. Și au găsit exact temperatura potrivită, care să permită elementelor să se amestece ușor și să se lipească de substrat în siguranță.

„„ Magia ”nu este un cuvânt pe care îl folosim des ca oameni de știință în materie de materiale”, spune Goldman. „Dar așa s-a simțit când am reușit în sfârșit să facem bine”.

Avansul vine pe seama unei alte inovații din laboratorul Goldman, care simplifică procesul de „dopaj” utilizat pentru modificarea proprietăților electrice ale straturilor chimice din semiconductorii de arsenidă de galiu.

În timpul dopajului, producătorii aplică un amestec de substanțe chimice numite „impurități de proiectare” pentru a schimba modul în care semiconductorii conduc electricitatea și le conferă polaritate pozitivă și negativă similară cu electrozii unei baterii. Agenții dopanți utilizați de obicei pentru semiconductorii de arsenidă de galiu sunt siliciu pe partea negativă și beriliu pe partea pozitivă.

Beriliul este o problemă - este toxic și costă de aproximativ 10 ori mai mult decât dopanții cu siliciu. Beriliul este, de asemenea, sensibil la căldură, ceea ce limitează flexibilitatea în timpul procesului de fabricație. Dar echipa a descoperit că, prin reducerea cantității de arsenic sub nivelurile care anterior erau considerate acceptabile, pot „răsturna” polaritatea dopanților din siliciu, permițându-le să folosească elementul mai ieftin și mai sigur atât pentru părțile pozitive, cât și pentru cele negative.

„A putea schimba polaritatea purtătorului este cam ca„ ambidexteritatea atomică ”, spune Richard Field, fost doctorand care a lucrat la proiect. „La fel ca oamenii cu ambidexteritate născută în mod natural, este destul de neobișnuit să găsești impurități atomice cu această abilitate.”

Împreună, procesul de dopare îmbunătățit și noul aliaj ar putea face ca semiconductorii utilizați în concentratorul fotovoltaic să fie cu 30% mai ieftin de produs, un mare pas spre a face celulele de înaltă eficiență practice pentru producerea de energie electrică pe scară largă.

„În esență, acest lucru ne permite să realizăm acești semiconductori cu mai puține cutii de pulverizare atomice și fiecare cutie este semnificativ mai puțin costisitoare”, spune Goldman. „În lumea producției, acest tip de simplificare este foarte semnificativ. Aceste noi aliaje și dopanți sunt, de asemenea, mai stabile, ceea ce oferă producătorilor mai multă flexibilitate pe măsură ce semiconductorii se deplasează prin procesul de fabricație. ”

Noul aliaj este detaliat într-o lucrare care apare în jurnal Scrisori de fizică aplicată. Fundația Națională pentru Științe și Departamentul SUA pentru Energie Biroul de Științe pentru Studenții Absolvenți au susținut cercetarea.

Sursa: Universitatea din Michigan

Cărți asemănătoare:

at InnerSelf Market și Amazon