この魔法の合金は安価な太陽光発電を意味することができます

研究者らは、可視光スペクトルの端に位置する近赤外光を捕捉することができる新しい種類の半導体合金を開発した。

容易に製造することができ、少なくとも25は以前の配合よりもコストがかかりません。これは、近赤外光を捕らえることができる世界で最も費用対効果の高い材料であると信じられています。また、集光器太陽光発電でよく使用されるガリウム砒素半導体と互換性があります。

"コンセントレータの太陽光発電は次世代の電源になる可能性があります。"コンセントレータの太陽光発電は、ヒ化ガリウムまたはゲルマニウム半導体でできた小型で高効率の太陽電池に太陽光を集め、集中させます。 従来のフラットパネルシリコン太陽電池は、50の半分の中で最も優れていましたが、20％以上の効率を達成するには軌道に乗っています。

「フラットパネル・シリコンは基本的に効率の面で最大限に活用されています」と材料科学と工学の教授であるレイチェル・ゴールドマンは述べ、ミシガン大学で物理学を研究しています。 「シリコンのコストは下がらず、効率も上がらない。 コンセントレータの太陽光発電は次世代に電力を供給することができます。

現在、コンセントレータ型太陽電池の種類が存在しています。 それらは、互いに積層された3つの異なる半導体合金で作られている。 分子線エピタキシーと呼ばれるプロセスで個々の元素を含むスプレーペイントのような半導体ウェーハにスプレーされ、各層はわずか数ミクロンの厚さです。 層は太陽スペクトルの異なる部分を捕捉する。 1つの層を通過する光は、次の層によって取り込まれる。

しかし、近赤外光はこれらの細胞を傷つけません。 長年にわたり、研究者は、この光を捕捉するために細胞に挟み込むことができる、難しい「第4層」合金に向けて取り組んできました。 背の高い注文です。 太陽電池の他の3つの層と一致する原子構造を有する赤外光に対して、費用対効果、安定性、耐久性および敏感性がなければならない。

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これらの変数をすべて正しいものにすることは容易ではなく、今までは5つ以上の要素を使用する非常に高価な数式を研究者が抱えていました。

よりシンプルなミックスを見つけるために、Goldmanのチームはプロセスの多くの変数を把握するための新しいアプローチを考案しました。 彼らは、大学で行われたX線回折や、カスタムモデリングされたコンピュータモデリングによるロスアラモス国立研究所でのイオンビーム分析など、地上での測定方法を組み合わせました。

この方法を使用して、彼らはわずかに異なる種類のヒ素分子がビスマスとより効果的に対になることを発見した。 彼らは混合物中の窒素とビスマスの量を微調整することができ、前の式が必要とした追加の製造ステップを排除することができました。 そして、彼らは要素がスムーズに混合し、基板にしっかりと固着することができる正確な温度を正確に見出しました。

「「マジック」は材料科学者として頻繁に使用される言葉ではありません。 "しかし、それは我々が最終的にそれを得たときのように感じたものです。"

この進歩は、ガリウム砒素半導体の化学層の電気的特性を調整するために使用される「ドーピング」プロセスを簡略化するゴールドマン研究所の別の革新的な技術革新の始まりです。

ドーピング中、メーカーは、半導体が電気を伝導する方法を変更し、バッテリの電極に似た正負の極性を与えるために、「デザイナー不純物」と呼ばれる化学物質の混合物を適用します。 ガリウムヒ素半導体に通常用いられるドーピング剤は、負の側のシリコンと正の側のベリリウムである。

ベリリウムは問題であり、毒性があり、シリコンドーパントより10倍のコストがかかります。 ベリリウムはまた、熱に敏感であり、製造プロセス中の柔軟性を制限する。 しかし、チームは、以前は許容されていたと考えられるレベル以下のヒ素量を減らすことによって、シリコンドーパントの極性を反転させることができ、より安価で安全な要素をプラス側とマイナス側の両方で使用できることを発見しました。

「キャリアの極性を変えることができるのは、親近感のようなものです」と、このプロジェクトに携わった元博士課程の学生、リチャード・フィールド氏は言います。 「自然に生まれた両親媒性の人々のように、この能力で原子状の不純物を見つけることはかなり珍しい」

同時に、改良されたドーピングプロセスと新しい合金は、大規模な発電に実用的な高効率セルを製造するための大きな一歩である、30を生産するために集光器太陽電池に使用される半導体を作ることができます。

「本質的に、これにより、より少ない原子スプレー缶でこれらの半導体を製造することが可能になり、それぞれの缶を大幅に安価にすることができます。 "製造業界では、そのような簡素化は非常に重要です。 これらの新しい合金とドーパントもより安定しており、製造プロセスの中で半導体が動くにつれ、メーカーはより柔軟に対応することができます。

新しい合金は、ジャーナルに掲載された論文に詳述されています アプライドフィジックスレターズ。 国立科学財団と米国エネルギー省科学大学院学生研究部がこの研究を支援した。

情報源： ミシガン大学

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