Ini Alloy Ajaib Tidak Berarti Tenaga Suria Yang Lebih Murah

Penyelidik telah membangunkan jenis baru aloi semikonduktor yang mampu menangkap cahaya dekat inframerah yang terletak di pinggir spektrum cahaya yang kelihatan.

Lebih mudah untuk mengeluarkan dan sekurang-kurangnya 25 peratus kurang mahal daripada rumusan sebelumnya, ia dipercayai bahan yang paling kos efektif di dunia yang dapat menangkap cahaya inframerah dekat-dan serasi dengan semikonduktor galium arsenide yang sering digunakan dalam photovoltaic concentrator.

"Photovoltaic konsentrator boleh memberi kuasa kepada generasi akan datang." Photovoltaic konsentrator mengumpul dan menumpukan sinar matahari ke sel-sel solar kecekapan tinggi yang diperbuat daripada galium arsenide atau semikonduktor germanium. Mereka berada di landasan untuk mencapai kadar kecekapan melebihi peratus 50, manakala sel solar silikon panel konvensional teratas di pertengahan 20s.

"Silikon panel rata pada asasnya lebih tinggi dari segi kecekapan," kata Rachel Goldman, seorang profesor sains dan kejuruteraan bahan, serta fizik di University of Michigan, yang makmalnya menghasilkan aloi. "Kos silikon tidak turun dan kecekapan tidak naik. Photovoltaic konsentrator boleh memberi kuasa kepada generasi akan datang. "

Varieti photovoltaic concentrator wujud pada hari ini. Mereka diperbuat daripada tiga aloi semikonduktor berbeza berlapis bersama. Disemprotkan ke wafer semikonduktor dalam proses yang dipanggil epitaxy-beam-molekul-sedikit seperti lukisan semburan dengan elemen individu-setiap lapisan hanya beberapa mikron tebal. Lapisan merangkumi pelbagai spektrum solar; cahaya yang mendapat melalui satu lapisan akan ditangkap oleh yang seterusnya.

Tetapi cahaya inframerah hampir menyala melalui sel-sel ini tidak dapat dipertahankan. Selama bertahun-tahun, para penyelidik telah berusaha ke arah aloi "lapisan keempat" sukar difahami yang boleh diapit ke dalam sel untuk menangkap cahaya ini. Ia adalah perintah yang tinggi; aloi mesti kos efektif, stabil, tahan lama, dan sensitif terhadap cahaya inframerah, dengan struktur atom yang sepadan dengan tiga lapisan lain dalam sel solar.

grafik langganan dalaman

Mendapatkan semua pembolehubah itu tidak mudah, dan sehingga sekarang, penyelidik telah terjebak dengan rumusan yang mahal yang menggunakan lima elemen atau lebih.

Untuk mencari campuran yang lebih mudah, pasukan Goldman mencipta pendekatan baru untuk mengekalkan tab pada banyak pembolehubah dalam proses. Mereka menggabungkan kaedah pengukuran di atas tanah termasuk pembelauan sinar-X yang dilakukan pada analisis balok universiti dan ion yang dilakukan di Makmal Nasional Los Alamos dengan pemodelan komputer yang direka khas.

Dengan menggunakan kaedah ini, mereka mendapati bahawa jenis molekul arsenik yang sedikit berbeza akan dipasangkan dengan lebih berkesan dengan bismut. Mereka mampu menaikkan jumlah nitrogen dan bismut dalam campuran, membolehkan mereka menghapuskan langkah pembuatan tambahan yang diperlukan formula sebelumnya. Dan mereka mendapati dengan tepat suhu yang betul yang membolehkan unsur-unsur untuk menggabungkan dengan lancar dan melekat pada substrat dengan selamat.

"'Magic' bukan kata yang sering kita gunakan sebagai saintis bahan," kata Goldman. "Tetapi itulah yang dirasakan apabila kita akhirnya berjaya."

Kemajuan itu muncul pada inovasi lain dari makmal Goldman yang mempermudah proses "doping" yang digunakan untuk menyaring sifat-sifat elektrik lapisan kimia dalam semikonduktor gallium arsenide.

Semasa penghidap doping, pengeluar memohon campuran bahan kimia yang dikenali sebagai "kekotoran berjenama" untuk mengubah cara semikonduktor mengendalikan elektrik dan memberikan polariti positif dan negatif seperti elektrod bateri. Ejen doping biasanya digunakan untuk semikonduktor galium arsenide adalah silikon di sisi negatif dan berilium di sisi positif.

Berilium adalah masalah-ia adalah toksik dan kos kira-kira 10 kali lebih daripada dopan silikon. Beryllium juga sensitif terhadap haba, yang membataskan kelenturan semasa proses pembuatan. Tetapi pasukan mendapati bahawa dengan mengurangkan jumlah arsenik di bawah tahap yang sebelum ini dianggap boleh diterima, mereka boleh "flip" polaritas dopan silikon, membolehkan mereka menggunakan unsur yang lebih murah, lebih selamat untuk kedua-dua sisi positif dan negatif.

"Berupaya mengubah polaritas pembawa adalah sejenis ambidexterity seperti atom," kata Richard Field, seorang bekas pelajar kedoktoran yang bekerja pada projek itu. "Sama seperti orang-orang yang mempunyai ambidexterity yang lahir secara semula jadi, ia agak tidak biasa untuk mencari kekotoran atom dengan keupayaan ini."

Bersama-sama, proses doping yang lebih baik dan aloi baru dapat menjadikan semikonduktor yang digunakan dalam photovoltaic concentrator sebanyak 30 lebih murah untuk menghasilkan, langkah besar ke arah menjadikan sel kecekapan tinggi praktikal untuk penjanaan elektrik berskala besar.

"Pada dasarnya, ini membolehkan kita membuat semikonduktor ini dengan sedikit tin semburan atom, dan masing-masing boleh jauh lebih murah," kata Goldman. "Di dunia pembuatan, pemudahan semacam itu sangat penting. Aloi dan dopan baru ini juga lebih stabil, yang memberikan lebih banyak fleksibiliti pembuat kerana semikonduktor bergerak melalui proses pembuatan. "

Aloi baru terperinci dalam karya yang terdapat dalam jurnal Applied Physics Letters. Yayasan Sains Kebangsaan dan Jabatan Tenaga Amerika Syarikat Penyelidikan Siswazah Penyelidikan Sains menyokong penyelidikan.

sumber: Universiti Michigan

Buku berkaitan:

at InnerSelf Market dan Amazon