Navorsers het 'n nuwe soort halfgeleierlegering ontwikkel wat die naby-infrarooi lig op die rand van die sigbare ligspektrum kan vasvang.
Makliker om te vervaardig en ten minste 25 persent minder duur as vorige formulerings, is dit geglo dat dit die wêreld se mees koste-effektiewe materiaal is wat naby infrarooi lig kan vang en is verenigbaar met die halfgeleier van galliumarsenied wat dikwels in konsentratorfotovoltaïese gebruik word.
"Konsentratorfotovoltaïek kan die volgende generasie krag dryf." Konsentratorfotovoltaïsche versamel en fokus sonlig op klein, hoë-doeltreffend sonkragte wat bestaan uit galliumarsenied of germanium halfgeleiers. Hulle is op dreef om doeltreffendheidskoerse van meer as 50-persentasie te behaal, terwyl konvensionele plat-paneel-silikon-sonselle in die middel-20's uitsteek.
"Platskyfsilikon is eintlik hoog in terme van doeltreffendheid," sê Rachel Goldman, 'n professor in materiaalwetenskap en ingenieurswese, sowel as fisika aan die Universiteit van Michigan, wie se laboratorium die legering ontwikkel het. "Die koste van silikon val nie af nie en doeltreffendheid gaan nie op nie. Konsentratorfotovoltaïek kan die volgende generasie aanstuur. "
Variasies van konsentratorfotovoltaïese bestaan vandag. Hulle is gemaak van drie verskillende halfgeleierlegerings saamgevoeg. Spuit op 'n halfgeleierwafel in 'n proses genaamd molekulêre-bundel-epitaxy-'n bietjie soos spuitverf met individuele elemente. Elke laag is slegs 'n paar mikron dik. Die lae vang verskillende dele van die sonspektrum; Lig wat deur een laag kry, word deur die volgende vasgelê.
Maar naby-infrarooi lig glip deur hierdie selle onbeskaamd. Vir jare het navorsers gewerk aan 'n ontwykende "vierde laag" legering wat in selle ingebou kan word om hierdie lig vas te vang. Dit is 'n lang orde; Die legering moet koste-effektief, stabiel, duursaam wees en sensitief vir infrarooi lig, met 'n atoomstruktuur wat ooreenstem met die ander drie lae in die sonsel.
Om al die veranderlikes reg te kry, is nie maklik nie, en tot nou toe is navorsers vasgevang met duur duur formules wat vyf elemente of meer gebruik.
Om 'n eenvoudiger mengsel te vind, het Goldman se span 'n nuwe benadering bedink om tabelle op die baie veranderlikes in die proses te hou. Hulle het op-die-grond meetmetodes gekombineer, insluitende X-straal-diffraksie wat by die universiteit gedoen is en ioonbalkontleding wat by Los Alamos Nasionale Laboratorium gedoen is met persoonlike rekenaarmodellering.
Met behulp van hierdie metode het hulle ontdek dat 'n effens verskillende tipe arseenmolekule meer effektief met die bismut sal koppel. Hulle was in staat om die hoeveelheid stikstof en bismut in die mengsel aan te pas, sodat hulle 'n bykomende vervaardigingsstap kon uitskakel wat die vorige formules benodig. En hulle het presies die regte temperatuur gevind wat die elemente in staat sou stel om glad te meng en stewig by die substraat te hou.
"Magic" is nie 'n woord wat ons dikwels as materiaalwetenskaplikes gebruik nie, "sê Goldman. "Maar dis hoe dit gevoel het toe ons dit regkry."
Die voorskot kom op die hakke van nog 'n vernuwing van Goldman se laboratorium wat die proses van doping vereenvoudig om die elektriese eienskappe van die chemiese lae in galliumarsenied halfgeleiers te verbeter.
Tydens doping gebruik vervaardigers 'n mengsel van chemikalieë wat "ontwerper onsuiwerhede" genoem word om te verander hoe halfgeleiers elektrisiteit uitvoer en hulle positiewe en negatiewe polariteit gee wat soortgelyk is aan die elektrodes van 'n battery. Die dwelmmiddels wat gewoonlik vir halfgeleiers van galliumarsenied gebruik word, is silikon aan die negatiewe kant en berillium aan die positiewe kant.
Die berillium is 'n probleem. Dit is giftig en dit kos ongeveer 10 keer meer as silikon doperings. Berillium is ook sensitief vir hitte, wat die buigsaamheid tydens die vervaardigingsproses beperk. Maar die span het ontdek dat hulle die polariteit van silikon dopmiddels kan verlaag deur die hoeveelheid arseen te verminder onder die vlakke wat voorheen as aanvaarbaar beskou is, sodat hulle die goedkoper en veiliger element vir beide die positiewe en negatiewe kante kan gebruik.
"Om die polariteit van die draer te verander, is soortgelyk aan atoom" ambidexterity ", sê Richard Field, 'n voormalige doktorale student wat aan die projek gewerk het. "Net soos mense met natuurlik gebore ambidexterity, is dit redelik ongewoon om atoom onsuiwerhede met hierdie vermoë te vind."
Saam kan die verbeterde dopingproses en die nuwe legering die halfgeleiers wat in konsentratorfotovoltaïese gebruik word, soveel as 30-persentasie goedkoper maak, 'n groot stap om die hoë-doeltreffendheidselle prakties te maak vir grootskaalse kragopwekking.
"In wese stel dit ons in staat om hierdie halfgeleiers met minder atoom spuitblikkies te maak, en elke blik is aansienlik goedkoper," sê Goldman. "In die vervaardigingswêreld is daardie soort vereenvoudiging baie belangrik. Hierdie nuwe legerings en doperings is ook meer stabiel, wat die makers meer buigsaamheid gee as die halfgeleiers deur die vervaardigingsproses beweeg. "
Die nuwe legering word in 'n vraestel wat in die joernaal verskyn, uiteengesit TN Briewe. Die Nasionale Wetenskapstigting en die US Departement van Energie Kantoor van Wetenskap Nagraadse Studente Navorsing het die navorsing ondersteun.
Bron: Universiteit van Michigan
Verwante Boeke:
at InnerSelf Market en Amazon
