Дослідники розробили новий вид напівпровідникового сплаву, здатного вловлювати ближнє інфрачервоне світло, розташоване на межі спектра видимого світла.

Він легший у виробництві і щонайменше на 25 відсотків дешевший за попередні рецептури, вважається найефективнішим у світі матеріалом, здатним захоплювати ближнє інфрачервоне світло, і сумісний з напівпровідниками арсенід галію, які часто використовуються у фотоелектричних фотоелектриках.

«Фотоелектричні установки -концентратори можуть живити наступне покоління». Фотоелектричні установки-концентратори збирають і фокусують сонячне світло на невеликих, високоефективних сонячних батареях, виготовлених з арсеніду галію або напівпровідників германію. Вони на шляху до досягнення коефіцієнта корисної дії понад 50 відсотків, тоді як звичайні плоскі панелі з кремнієвих сонячних батарей досягають успіху в середині 20-х років.

"Кремній з плоскої панелі в основному досягнутий з точки зору ефективності",-каже Рейчел Голдман, професор матеріалознавства та інженерії, а також фізики з Мічиганського університету, лабораторія якого розробила цей сплав. «Вартість кремнію не падає, а ефективність не зростає. Фотоелектричні установки -концентратори можуть живити наступне покоління ».

Різновиди фотоелектрики концентратора існують на сьогоднішній день. Вони виготовлені з трьох різних напівпровідникових сплавів, пошарованих разом. Розпилюється на напівпровідникову пластину в процесі, званому молекулярно-променевою епітаксією-трохи схожою на розпилення з окремими елементами-кожен шар має товщину всього кілька мікронів. Шари захоплюють різні частини сонячного спектру; світло, що проникає через один шар, захоплюється наступним.

Але ближнє інфрачервоне світло ковзає крізь ці клітини без розпрягу. Протягом багатьох років дослідники працювали над невловимим сплавом "четвертого шару", який можна було б затиснути в клітини, щоб захопити це світло. Це високий порядок; сплав повинен бути економічно ефективним, стабільним, міцним і чутливим до інфрачервоного світла з атомною структурою, що відповідає іншим трьом шарам сонячної батареї.

Визначити всі ці змінні не так просто, і до цих пір дослідники застрягли у надмірно дорогих формулах, які використовують п’ять елементів і більше.

Щоб знайти простіший поєднання, команда Голдмана розробила новий підхід для відстеження багатьох змінних у процесі. Вони поєднали методи вимірювання на землі, включаючи дифракцію рентгенівських променів, зроблену в університеті, та аналіз іонно-променевого променя, зроблений у Національній лабораторії Лос-Аламоса, з комп'ютерним моделюванням на замовлення.

Використовуючи цей метод, вони виявили, що дещо інший тип молекули миш'яку буде більш ефективно поєднуватися з вісмутом. Вони змогли змінити кількість азоту та вісмуту в суміші, що дозволило їм усунути додатковий етап виробництва, необхідний для попередніх формул. І вони знайшли саме ту температуру, яка дозволила б елементам плавно перемішуватися і надійно прилипати до основи.

«Магія» - це не слово, яке ми часто використовуємо як науковці з матеріалознавства, - каже Голдман. "Але таке відчуття, коли ми нарешті все виправили".

Прогрес йде за п'ятою чергою інновації з лабораторії Голдмана, яка спрощує процес "легування", який використовується для налаштування електричних властивостей хімічних шарів у напівпровідниках арсеніду галію.

Під час допінгу виробники застосовують суміш хімікатів, які називаються «конструкторськими домішками», щоб змінити спосіб напівпровідників проводити електрику і надати їм позитивну та негативну полярність, подібну до електродів акумулятора. Легуючі агенти, які зазвичай використовуються для напівпровідників арсеніду галію, - це кремній з негативної сторони та берилій з позитивної сторони.

Берилій - проблема - він токсичний і коштує приблизно в 10 разів дорожче, ніж кремнієві добавки. Берилій також чутливий до тепла, що обмежує гнучкість у процесі виробництва. Але команда виявила, що, зменшивши кількість миш'яку нижче рівнів, які раніше вважалися прийнятними, вони можуть «перевернути» полярність кремнієвих добавок, дозволяючи їм використовувати більш дешевий, безпечний елемент як з позитивної, так і з негативної сторони.

«Можливість змінити полярність носія - це щось на зразок атомної« амбідекстерності », - каже Річард Філд, колишній докторант, який працював над проектом. "Так само, як і люди з природженою амбідекстерністю, досить рідко зустрічаються атомні домішки з цією здатністю".

Разом удосконалений процес легування та новий сплав можуть зробити напівпровідники, які використовуються у фотоелектричній установці концентраторів, на 30 відсотків дешевшими у виробництві, що є великим кроком на шляху до того, щоб високоефективні осередки були практичними для широкомасштабного виробництва електроенергії.

"По суті, це дозволяє нам виготовляти ці напівпровідники з меншою кількістю балончиків з атомними розпилювачами, і кожна банка є значно дешевшою", - каже Голдман. «У світі виробництва таке спрощення є дуже значним. Ці нові сплави та легуючі добавки також є більш стабільними, що дає виробникам більшу гнучкість у міру переміщення напівпровідників у процесі виробництва ».

Новий сплав детально описаний у статті, опублікованій у журналі Прикладні фізичні букви. Національний науковий фонд та Управління наукових досліджень аспірантів Департаменту енергетики США підтримали дослідження.

джерело: Мічиганський університет

Схожі книги:

at InnerSelf Market і Amazon