Tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen puolijohdeseoksen, joka pystyy sieppaamaan näkyvän valon spektrin reunalla sijaitsevan lähi-infrapunavalon.
Helpompi valmistaa ja ainakin 25 prosenttia vähemmän kustannustehokkaampaa kuin aiemmat formulaatiot, sen uskotaan olevan maailman kustannustehokkain materiaali, joka pystyy kaappaamaan lähi-infrapunavalon - ja on yhteensopiva gallium-arseenidipuolijohteiden kanssa, joita käytetään usein keskittimien aurinkosähköissä.
”Keskittymän aurinkosähkö voi tuottaa seuraavan sukupolven.” Keskittimen aurinkosähkö kerää ja keskittyy auringonvaloon pienille, tehokkaille aurinkokennoille, jotka on valmistettu gallium-arseenista tai germanium-puolijohteista. He ovat matkalla saavuttaakseen yli 50-prosentin hyötysuhteen, kun taas tavanomaiset litteät paneelit pii-solut ulottuvat 20-puolivälissä.
”Litteän paneelin pii on periaatteessa tehokkuuden kannalta suurin”, sanoo Rachel Goldman, materiaalitieteen ja -tekniikan professori sekä fysiikka Michiganin yliopistossa, jonka laboratorio kehitti seosta. ”Piin kustannukset eivät laske ja tehokkuus ei nouse. Keskittimen aurinkosähkö voi tuottaa seuraavan sukupolven. "
Nykyisin on olemassa konsentraattorin aurinkosähkölajikkeiden lajikkeita. Ne on valmistettu kolmesta eri puolijohdeseoksesta, jotka on kerrostettu yhteen. Ruiskutetaan puolijohdekiekkoon molekyylisäteilyn epitaksiksi kutsutulla prosessilla, joka on vähän kuin yksittäisiä elementtejä sisältävä suihkemaalaus, ja jokainen kerros on vain muutaman mikronin paksu. Kerrokset sieppaavat aurinkospektrin eri osia; toinen kerros läpi kulkeva valo vangitsee seuraavan.
Mutta lähi-infrapuna-valo liukuu näiden solujen läpi. Tutkijat ovat jo vuosien ajan pyrkineet saavuttamaan vaikeasti "neljännen kerroksen" seoksen, joka voitaisiin kerätä soluihin tämän valon kaappaamiseksi. Se on pitkä järjestys; seoksen on oltava kustannustehokas, vakaa, kestävä ja herkkä infrapunavalolle, ja sen atomirakenne vastaa aurinkokennon kolmea muuta kerrosta.
Kaikkien näiden muuttujien oikeuttaminen ei ole helppoa, ja tähän mennessä tutkijat ovat juuttuneet kohtuuttoman kalliisiin kaavoihin, joissa on viisi tai enemmän elementtiä.
Yksinkertaisen yhdistelmän löytämiseksi Goldmanin tiimi kehitti uuden lähestymistavan, jolla pidetään välilehdet prosessin monista muuttujista. Ne yhdistivät maanpäälliset mittausmenetelmät, mukaan lukien röntgendiffraktio, joka tehtiin yliopistossa, ja ionisädeanalyysi, joka tehtiin Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa räätälöityjen tietokoneiden mallinnusten avulla.
Tätä menetelmää käyttäen he havaitsivat, että hieman erilainen arseenimolekyyli parisiisi tehokkaammin vismutin kanssa. Ne kykenivät säätämään seoksessa olevan typen ja vismuttimäärän, jolloin ne pystyivät poistamaan ylimääräisen valmistusvaiheen, jota edelliset kaavat tarvitsivat. Ja he löysivät juuri oikean lämpötilan, joka mahdollisti elementtien sekoittumisen ja tarttua tukevasti alustaan.
”” Magic ”ei ole sana, jota käytämme usein materiaalitieteilijöinä”, Goldman sanoo. "Mutta se tuntui siltä, kun saimme vihdoin oikeuden."
Etukäteen on tullut Goldmanin laboratorion toisen innovaation kantapäät, jotka yksinkertaistavat "doping" -prosessia, jota käytetään gallium-arsenidipuolijohteiden kemiallisten kerrosten sähköisten ominaisuuksien säätämiseen.
Dopingin aikana valmistajat käyttävät yhdistelmää kemikaaleista, joita kutsutaan "suunnittelijoiden epäpuhtauksiksi", jotta muutetaan, miten puolijohteet johtavat sähköä ja antavat heille positiivisen ja negatiivisen napaisuuden, joka on samanlainen kuin akun elektrodit. Gallium-arseenidipuolijohteisiin tavallisesti käytettävät doping-aineet ovat negatiivisia puolia ja positiivisen puolen berylliumia.
Beryllium on ongelma - se on myrkyllistä ja se maksaa noin 10 kertaa enemmän kuin piimetallia. Beryllium on myös herkkä lämmölle, mikä rajoittaa joustavuutta valmistusprosessin aikana. Joukkue löysi kuitenkin, että vähentämällä aikaisemmin hyväksyttäväksi katsottujen arseenien määrää, ne voivat "piilottaa" piipitoisten aineiden polariteetin, jolloin ne voivat käyttää halvempaa, turvallisempaa elementtiä sekä positiivisille että negatiivisille puolille.
”Jotta pystytään muuttamaan kuljettajan napaisuus, se on samanlainen kuin atominen” ambidexterity ”, sanoo entinen tohtorikoulutettava Richard Field. ”Aivan kuten ihmisillä, joilla on luonnollisesti syntynyt ambidexterity, on melko harvinaista löytää atomisia epäpuhtauksia tällä kyvyllä.”
Yhdessä parannettu dopingprosessi ja uusi seos voisivat tehostaa keskittimen aurinkosähköä käyttäviä puolijohteita yhtä paljon kuin 30 prosenttiyksikköä halvemmalla, mikä on suuri askel kohti tehokkuuden omaavien solujen käyttämistä laajamittaisessa sähkön tuotannossa.
”Tämän ansiosta voimme tehdä nämä puolijohdetuotteet vähemmän atomisuihkupurkkeja, ja kukin tölkki on huomattavasti halvempaa”, Goldman sanoo. ”Valmistusmaailmassa tällainen yksinkertaistaminen on hyvin merkittävä. Nämä uudet seokset ja lisäaineet ovat myös vakaampia, mikä antaa valmistajille enemmän joustavuutta, kun puolijohteet liikkuvat valmistusprosessin läpi. ”
Uusi lejeerinki on kuvattu lehdessä ilmestyvässä paperissa Sovellettu fysiikan kirjaimet. Tutkimusta tukivat Kansallinen tiedesäätiö ja Yhdysvaltain energiaministeriön tiedekorkeakoulututkimuksen toimisto.
Lähde: University of Michigan
Liittyvät kirjat:
at InnerSelf Market ja Amazon
