Tím výskumných pracovníkov Michiganskej Univerzity M-U vyvinul novú polovodičovú zliatinu, ktorá dokáže zachytiť infračervené svetlo hraničiace v svetelnom spektre s viditeľným svetlom. Tá by mohla byť byť veľkým krokom vpred pre novú generáciu solárnych článkov takzvanej "koncentrátorovej fotovoltaiky".
Jednoduchšie sa vyrába a je najmenej o 25% menej nákladná ako predchádzajúce zliatiny. Zdá sa, že je najefektívnejším materiálom na svete, ktorý dokáže zachytiť infračervené svetlo a je kompatibilný s polovodičmi arzenidu gália, ktoré sa často používajú v koncentračnej fotovoltaickej sústave.
Koncentrátorová fotovoltaika zhromažďuje a zaostrí slnečné svetlo na malé, vysokoúčinné solárne články vyrobené z arzenidu gália alebo germániových polovodičov. Sú blízko k tomu, aby dosiahli mieru účinnosti viac ako 50 percent, zatiaľ čo konvenčné ploché solárne články s kremíkovým povrchom končia v polovici dvadsiatich percent.
"Panely s článkami s kremíkovým povrchom dosiahli svoju maximálnu efektívnosť," povedala Rachel S. Goldmanová, profesorka vedy a techniky v U-M, ktorej laboratórium vyvinulo zliatinu. "Náklady na kremík neklesnú a účinnosť nerastie. Koncentrátorová fotovoltaika by mohla poslniť novú generáciu."
Odrody koncentračnej fotovoltaiky existujú už aj dnes. Sú vyrobené z troch rôznych polovodičových zliatin, ktoré sú navzájom vrstvené. Napustené na polovodičové oblátky v procese nazývanom epitaxia molekulového lúča - trochu ako sprejové lakovanie s jednotlivými prvkami - každá vrstva má hrúbku iba niekoľko mikrónov. Vrstvy zachytávajú rôzne časti solárneho spektra; Svetlo, ktoré prejde cez jednu vrstvu, je zachytené ďaľšou.
Ale blízke infračervené svetlo prechádza cez tieto bunky nedotknuté. V priebehu rokov výskumníci pracujú na zliatine "štvrtej vrstvy", ktorá by mohla byť vložená do buniek, aby zachytila toto svetlo. Je to zložité zadanie; zliatina musí byť nákladovo efektívna, stabilná, odolná a citlivá na infračervené svetlo s atómovou štruktúrou, ktorá sa zhoduje s ostatnými troma vrstvami solárneho článku.
Získanie týchto správnych premenných nie je jednoduché a až doteraz sa vedci držali nepríjemne drahých vzorcov, ktoré používajú päť alebo viac prvkov.
Aby sme našli jednoduchšiu kombináciu, Goldmanov tím zvolil nový prístup. Kombinovali metódy merania vrátane rôntgenovej difrakcie vykonanej na U-M a analýzy lónového lúča vykonanej v Národnom laboratóriu v Los Alamos s počítačovým modelovaním.
Použitím tejto metódy zistili, že mierne odlišný typ arzénovej molekuly by sa účinnejšie spáril s bizmutom. Dokázali vylepšiť množstvo dusíka a bizmutu v zmesi, čo im umožnilo odstrániť dodatočný výrobný krok, ktorý vyžaduje predchádzajúce vzorce. A našli presne správnu teplotu, ktorá by umožnila plynulé premiešanie prvkov a bezpečnú priľnavosť k podkladu.
"Magický je slovo, ktoré my materiáloví vedci nepoužívame často," povedal Goldman. "Ale takto sme to cítili, keď sme to konečne spravili správnym spôsobom."
Výskum sa uskutočňuje na základe ďalšej inovácie z laboratória spoločnosti Goldman, ktorá zjednodušuje "dopovací" proces, ktorý sa používa na vyladenie elektrických vlastností chemických vrstiev v polovodičoch arzénidu gália. Počas dopovania výrobcovia používajú zmes chemikálií nazývaných "návrhnuté nečistoty", aby zmenili spôsob, akým polovodiče vedú elektrickú energiu a dávajú im pozitívnu a negatívnu polaritu podobnú elektródam batérie. Dopovacie činidlá, ktoré sa zvyčajne používajú pre polovodiče s arzenidom gália, sú na negatívnej strane kremíkové a na pozitívnej strane berýliové.
Berýlium je problém - je toxické a stojí desaťkrát viac ako kremíkové prísady. Berýlium je tiež citlivé na teplo, čo obmedzuje flexibilitu počas výrobného procesu. No U-M tím zistil, že znížením množstva arzénu pod úrovne, ktoré boli predtým považované za prijateľné, môžu "prevrátiť" polaritu silikónových dopovaných látok, čo im umožňuje používať lacnejší a bezpečnejší prvok tak pre pozitívne, ako aj pre negatívne strany.
"Možnosť zmeniť polaritu prenášača je trochu ako atómová obojručnosť," povedal Richard L. Field, bývalý PhD študent U-M, ktorý pracoval na projekte. "Rovnako ako ľudia s prirodzene vrodenou obojručnosťou, je dosť nezvyčajné nájsť atómovú nečistotu s touto schopnosťou."
Zlepšený dopingový proces a nová zliatina by mohli polovodiče, ktoré sa používajú v koncentračnej fotovoltike, pomôcť vyrobiť až o 30% lacnejšie, čo je veľký krok k tomu, aby sa vysokoúčinné články stali praktickými pre výrobu elektrickej energie vo veľkom meradle.
"V podstate nám to umožňuje pripraviť tieto polovodiče z menšieho počtu naprášení a každe z nich je výrazne lacnejšie," povedal Goldman. "Vo výrobnom svete je takéto zjednodušenie veľmi dôležité. Tieto nové zliatiny a prísady sú tiež stabilnejšie, čo dáva výrobcom väčšiu flexibilitu, keď polovodiče prechádzajú výrobným procesom."
Nová zliatina je podrobne opísaná v článku s názvom "Bi-enhanced N incorporation in GaAsNBi" zverejnenom 15. júna v Applied Physics Letters. Výskum je podporovaný Národnou vedeckou nadáciou (číslo grantu DMR 1410282) a americkým ministerstvom energetiky Office of Science Graduate Student Research.
Pokroky v dopovaní sú podrobne opísané v článku s názvom "Influence of surface reconstruction on dopant incorporation and transport properties of GaAs(Bi) alloys". Ten bol publikovaný v magazíne Applied Physics Letters z 26. decembra 2016. Výskum podporila Národná vedecká nadácia (číslo grantu DMR 1410282).
Zdroj: www.mse.engin.umich.edu
Karolkm
Omenemo