Более простой в производстве и как минимум на 25 процентов дешевле, чем предыдущие составы, он считается наиболее экономичным в мире материалом, способным улавливать ближний инфракрасный свет, и совместим с полупроводниками на основе арсенида галлия, часто используемыми в фотоэлектрических концентраторах.
Фотогальванические элементы-концентраторы собирают и фокусируют солнечный свет на небольшие высокоэффективные солнечные элементы, изготовленные из арсенида галлия или полупроводников германия.
Они находятся на пути к достижению КПД более 50 процентов, в то время как обычные кремниевые солнечные элементы с плоскими панелями достигают максимума в середине 20-х годов.
«Кремний для плоских панелей в основном имеет максимальную эффективность с точки зрения эффективности», — сказала Рэйчел Голдман, профессор материаловедения, инженерии и физики Университета штата Мичиган, чья лаборатория разработала сплав. "Стоимость кремния не снижается, а эффективность не повышается.
Фотовольтаика концентратора может стать источником энергии для следующего поколения."
Сегодня существуют разновидности концентраторов фотоэлектрических систем. Они сделаны из трех разных полупроводниковых сплавов, уложенных вместе.
Напыление на полупроводниковую пластину в процессе, называемом молекулярно-лучевой эпитаксией — это немного похоже на окраску распылением отдельных элементов — каждый слой имеет толщину всего несколько микрон. Слои захватывают разные части солнечного спектра; свет, проходящий через один слой, улавливается следующим.
Но ближний инфракрасный свет скользит по этим клеткам без привязи. В течение многих лет исследователи работали над неуловимым сплавом «четвертого слоя», который можно было бы вставить в клетки, чтобы улавливать этот свет. Это сложная задача; сплав должен быть экономичным, стабильным, прочным и чувствительным к инфракрасному свету, с атомной структурой, которая соответствует трем другим слоям солнечного элемента.
Получить все эти переменные правильно непросто, и до сих пор исследователи придерживались непомерно дорогих формул, в которых используются пять или более элементов.
Чтобы найти более простое сочетание, команда Голдмана разработала новый подход к отслеживанию множества переменных в процессе. Они объединили методы наземных измерений, включая дифракцию рентгеновских лучей, выполненную в U-M, и ионно-лучевой анализ, выполненный в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, со специально созданным компьютерным моделированием.
Используя этот метод, они обнаружили, что молекула мышьяка немного другого типа может более эффективно сочетаться с висмутом. Они смогли настроить количество азота и висмута в смеси, что позволило им исключить дополнительный этап производства, который требовался для предыдущих формул.
И они нашли именно ту температуру, которая позволила бы элементам плавно смешиваться и надежно прилипать к основанию.
«Магия — это не то слово, которое мы часто используем, как материаловеды», — сказал Голдман. "Но вот что было, когда мы наконец поняли."
Прогресс наступил вслед за другим нововведением лаборатории Голдмана, которое упрощает процесс «легирования», используемый для настройки электрических свойств химических слоев в полупроводниках на основе арсенида галлия. Во время легирования производители применяют смесь химикатов, называемых «дизайнерскими примесями», чтобы изменить то, как полупроводники проводят электричество, и придать им положительную и отрицательную полярность, как у электродов батареи.
Легирующие агенты, обычно используемые для полупроводников из арсенида галлия, представляют собой кремний на отрицательной стороне и бериллий на положительной стороне.
Бериллий — проблема — он токсичен и стоит примерно в 10 раз дороже кремниевых добавок. Бериллий также чувствителен к нагреванию, что ограничивает гибкость производственного процесса. Но команда U-M обнаружила, что, уменьшая количество мышьяка ниже уровней, которые ранее считались приемлемыми, они могут «перевернуть» полярность кремниевых легирующих добавок, позволяя им использовать более дешевый и безопасный элемент как для положительной, так и для отрицательной стороны.
«Возможность изменить полярность носителя — это что-то вроде атомной« амбидекстрии », — сказал Ричард Филд, бывший докторант Университета Массачусетса, который работал над проектом. "Как и у людей с от природы прирожденной амбидекстричностью, довольно редко можно найти атомарные примеси с этой способностью."
Вместе улучшенный процесс легирования и новый сплав могут удешевить производство полупроводников, используемых в фотоэлектрических концентраторах, на 30 процентов, что является большим шагом к тому, чтобы сделать высокоэффективные элементы практичными для крупномасштабного производства электроэнергии.
«По сути, это позволяет нам производить эти полупроводники с меньшим количеством аэрозольных баллончиков с атомами, и каждый баллон будет значительно дешевле», — сказал Голдман. "В производственном мире такое упрощение очень важно. Эти новые сплавы и легирующие примеси также более стабильны, что дает производителям больше гибкости по мере того, как полупроводники проходят через производственный процесс."