Naukowcy opracowali nowy rodzaj stopu półprzewodnikowego zdolnego do przechwytywania światła bliskiej podczerwieni znajdującego się na krawędzi widma światła widzialnego.

Łatwiejszy w produkcji i co najmniej 25 procent tańszy niż poprzednie formuły, uważa się, że jest to najbardziej opłacalny na świecie materiał wychwytujący światło w bliskiej podczerwieni i jest kompatybilny z półprzewodnikami z arsenku galu często używanymi w fotowoltaice koncentratorów.

„Fotowoltaika koncentracyjna może zasilać następną generację”. Fotowoltaika koncentratorowa gromadzi i skupia światło słoneczne na małych, wysokowydajnych ogniwach słonecznych wykonanych z arsenku galu lub półprzewodników germanu. Są na dobrej drodze do osiągnięcia współczynnika sprawności na poziomie ponad 50 procent, podczas gdy konwencjonalne krzemowe ogniwa słoneczne z płaskim panelem osiągną szczyt w połowie lat dwudziestych.

„Krzem w płaskich panelach ma w zasadzie maksymalną wydajność” – mówi Rachel Goldman, profesor nauk o materiałach i inżynierii, a także fizyki na Uniwersytecie Michigan, którego laboratorium opracowało ten stop. „Koszt krzemu nie spada, a wydajność nie rośnie. Fotowoltaika koncentracyjna może zasilać następną generację.

Obecnie istnieją różne odmiany fotowoltaiki koncentracyjnej. Są wykonane z trzech różnych stopów półprzewodników ułożonych razem. Każda warstwa natryskiwana na płytkę półprzewodnikową w procesie zwanym epitaksją wiązką molekularną – trochę jak malowanie natryskowe poszczególnych elementów – ma grubość zaledwie kilku mikronów. Warstwy wychwytują różne części widma słonecznego; światło przechodzące przez jedną warstwę jest przechwytywane przez następną.

Jednak światło bliskiej podczerwieni przenika przez te komórki niewykorzystane. Przez lata badacze pracowali nad nieuchwytnym stopem „czwartej warstwy”, który można by wcisnąć w ogniwa w celu wychwytywania tego światła. To trudne zadanie; stop musi być opłacalny, stabilny, trwały i wrażliwy na światło podczerwone, a jego struktura atomowa odpowiada pozostałym trzem warstwom ogniwa słonecznego.

Poprawne uzyskanie wszystkich tych zmiennych nie jest łatwe i do tej pory badacze skazani byli na zbyt drogie formuły wykorzystujące co najmniej pięć elementów.

Aby znaleźć prostsze połączenie, zespół Goldmana opracował nowatorskie podejście do kontrolowania wielu zmiennych zachodzących w procesie. Połączyli naziemne metody pomiarowe, w tym dyfrakcję promieni rentgenowskich przeprowadzoną na uniwersytecie i analizę wiązki jonów przeprowadzoną w Los Alamos National Laboratory, ze specjalnie opracowanym modelowaniem komputerowym.

Korzystając z tej metody, odkryli, że nieco inny rodzaj cząsteczki arsenu będzie skuteczniej łączyć się z bizmutem. Udało im się dostosować ilość azotu i bizmutu w mieszance, co umożliwiło im wyeliminowanie dodatkowego etapu produkcyjnego wymaganego w poprzednich formułach. I znaleźli dokładnie odpowiednią temperaturę, która umożliwi płynne wymieszanie się elementów i pewne przyleganie do podłoża.

„Magia” nie jest słowem, którego często używamy jako naukowcy zajmujący się materiałami” – mówi Goldman. „Ale tak właśnie się czułem, kiedy w końcu nam się udało”.

Postęp następuje po kolejnej innowacji z laboratorium Goldmana, która upraszcza proces „domieszkowania” stosowany w celu poprawienia właściwości elektrycznych warstw chemicznych w półprzewodnikach z arsenku galu.

Podczas dopingu producenci stosują mieszankę chemikaliów zwanych „zanieczyszczeniami projektowymi”, aby zmienić sposób, w jaki półprzewodniki przewodzą prąd i nadać im dodatnią i ujemną polaryzację, podobnie jak elektrody akumulatora. Domieszkami zwykle stosowanymi w półprzewodnikach z arsenku galu są krzem po stronie ujemnej i beryl po stronie dodatniej.

Beryl stanowi problem — jest toksyczny i kosztuje około 10 razy więcej niż domieszki krzemowe. Beryl jest również wrażliwy na ciepło, co ogranicza elastyczność podczas procesu produkcyjnego. Zespół odkrył jednak, że zmniejszając ilość arsenu poniżej poziomów, które wcześniej uważano za dopuszczalne, można „odwrócić” polaryzację domieszek krzemowych, umożliwiając wykorzystanie tańszego i bezpieczniejszego pierwiastka zarówno po stronie dodatniej, jak i ujemnej.

„Możliwość zmiany polaryzacji nośnika przypomina atomową «oburęczność»” – mówi Richard Field, były doktorant, który pracował nad projektem. „Podobnie jak u osób z wrodzoną oburęcznością, dość rzadko zdarza się znaleźć zanieczyszczenia atomowe posiadające tę zdolność”.

Łącznie ulepszony proces domieszkowania i nowy stop mogą sprawić, że półprzewodniki stosowane w fotowoltaice koncentracyjnej będą nawet o 30 procent tańsze w produkcji, co stanowi duży krok w kierunku praktycznego wykorzystania wysokowydajnych ogniw do wytwarzania energii elektrycznej na dużą skalę.

„Zasadniczo umożliwia nam to wytwarzanie tych półprzewodników przy użyciu mniejszej liczby puszek ze sprayem atomowym, a każda puszka jest znacznie tańsza” – mówi Goldman. „W świecie produkcyjnym tego rodzaju uproszczenie jest bardzo znaczące. Te nowe stopy i domieszki są również bardziej stabilne, co zapewnia producentom większą elastyczność podczas przechodzenia półprzewodników przez proces produkcyjny”.

Szczegółowy opis nowego stopu znajduje się w artykule opublikowanym w czasopiśmie Stosowane litery fizyki. Badania wsparły Narodowa Fundacja Nauki i Biuro ds. Badań Absolwentów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Źródło: University of Michigan

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon