Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο είδος κράματος ημιαγωγών ικανό να συλλαμβάνει το εγγύς υπέρυθρο φως που βρίσκεται στην άκρη του φάσματος του ορατού φωτός.

Πιο εύκολο στην κατασκευή και τουλάχιστον 25 τοις εκατό λιγότερο δαπανηρό από τα προηγούμενα σκευάσματα, πιστεύεται ότι είναι το πιο οικονομικό υλικό στον κόσμο που μπορεί να συλλάβει φως κοντά στο υπέρυθρο - και είναι συμβατό με τους ημιαγωγούς αρσενιδίου του γαλλίου που χρησιμοποιούνται συχνά στα φωτοβολταϊκά συγκεντρωτών.

«Τα φωτοβολταϊκά συγκεντρωτικά θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν την επόμενη γενιά». Τα φωτοβολταϊκά του συμπυκνωτή συγκεντρώνονται και εστιάζουν το ηλιακό φως σε μικρές, υψηλής απόδοσης ηλιακές κυψέλες κατασκευασμένες από αρσενικό γάλλιο ή ημιαγωγούς γερμανίου. Είναι σε καλό δρόμο για να επιτύχουν ποσοστά απόδοσης άνω του 50 τοις εκατό, ενώ τα συμβατικά ηλιακά κύτταρα πυριτίου με επίπεδη οθόνη ολοκληρώνονται στα μέσα της δεκαετίας του '20.

«Το πυρίτιο με επίπεδο πάνελ είναι βασικά μεγιστοποιημένο όσον αφορά την απόδοση», λέει η Rachel Goldman, καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών, καθώς και φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, το εργαστήριο του οποίου ανέπτυξε το κράμα. «Το κόστος του πυριτίου δεν μειώνεται και η απόδοση δεν ανεβαίνει. Τα φωτοβολταϊκά συγκεντρωτικά θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν την επόμενη γενιά».

Ποικιλίες φωτοβολταϊκών συγκεντρωτών υπάρχουν σήμερα. Είναι φτιαγμένα από τρία διαφορετικά κράματα ημιαγωγών ενωμένα μεταξύ τους. Ψεκάζεται σε μια γκοφρέτα ημιαγωγών σε μια διαδικασία που ονομάζεται επιταξία μοριακής δέσμης - κάτι σαν βαφή με σπρέι με μεμονωμένα στοιχεία - κάθε στρώμα έχει πάχος μόνο μερικά μικρά. Τα στρώματα συλλαμβάνουν διαφορετικά μέρη του ηλιακού φάσματος. το φως που περνά από ένα στρώμα συλλαμβάνεται από το επόμενο.

Αλλά το εγγύς υπέρυθρο φως γλιστρά μέσα από αυτά τα κύτταρα χωρίς να έχει αξιοποιηθεί. Για χρόνια, οι ερευνητές εργάζονταν για ένα άπιαστο κράμα «τέταρτου στρώματος» που θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε κύτταρα για να συλλάβει αυτό το φως. Είναι μια μεγάλη τάξη? το κράμα πρέπει να είναι οικονομικά αποδοτικό, σταθερό, ανθεκτικό και ευαίσθητο στο υπέρυθρο φως, με ατομική δομή που ταιριάζει με τα άλλα τρία στρώματα του ηλιακού κυττάρου.

Η σωστή λήψη όλων αυτών των μεταβλητών δεν είναι εύκολη, και μέχρι τώρα, οι ερευνητές είχαν κολλήσει με απαγορευτικά ακριβούς τύπους που χρησιμοποιούν πέντε ή περισσότερα στοιχεία.

Για να βρει έναν απλούστερο συνδυασμό, η ομάδα της Goldman επινόησε μια νέα προσέγγιση για να παρακολουθεί τις πολλές μεταβλητές στη διαδικασία. Συνδύασαν μεθόδους μέτρησης στο έδαφος, συμπεριλαμβανομένης της περίθλασης ακτίνων Χ που έγινε στο πανεπιστήμιο και της ανάλυσης δέσμης ιόντων που έγινε στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος με προσαρμοσμένη μοντελοποίηση υπολογιστή.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ανακάλυψαν ότι ένας ελαφρώς διαφορετικός τύπος μορίου αρσενικού θα συνδυαζόταν πιο αποτελεσματικά με το βισμούθιο. Κατάφεραν να προσαρμόσουν την ποσότητα αζώτου και βισμούθιου στο μείγμα, επιτρέποντάς τους να εξαλείψουν ένα επιπλέον στάδιο παραγωγής που απαιτούσαν οι προηγούμενες φόρμουλες. Και βρήκαν ακριβώς τη σωστή θερμοκρασία που θα επέτρεπε στα στοιχεία να αναμειχθούν ομαλά και να κολλήσουν με ασφάλεια στο υπόστρωμα.

«Η «μαγεία» δεν είναι μια λέξη που χρησιμοποιούμε συχνά ως επιστήμονες υλικών», λέει ο Goldman. «Αλλά έτσι νιώσαμε όταν τελικά τα καταφέραμε σωστά».

Η πρόοδος έρχεται μετά από μια άλλη καινοτομία από το εργαστήριο της Goldman που απλοποιεί τη διαδικασία «ντόπινγκ» που χρησιμοποιείται για την προσαρμογή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των χημικών στρωμάτων στους ημιαγωγούς αρσενιδίου του γαλλίου.

Κατά τη διάρκεια του ντόπινγκ, οι κατασκευαστές εφαρμόζουν ένα μείγμα χημικών ουσιών που ονομάζονται «ακαθαρσίες σχεδιαστών» για να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο οι ημιαγωγοί άγουν τον ηλεκτρισμό και να τους δώσουν θετική και αρνητική πολικότητα παρόμοια με τα ηλεκτρόδια μιας μπαταρίας. Οι παράγοντες ντόπινγκ που χρησιμοποιούνται συνήθως για ημιαγωγούς αρσενιδίου του γαλλίου είναι το πυρίτιο στην αρνητική πλευρά και το βηρύλλιο στη θετική.

Το βηρύλλιο είναι ένα πρόβλημα—είναι τοξικό και κοστίζει περίπου 10 φορές περισσότερο από τις προσμίξεις πυριτίου. Το βηρύλλιο είναι επίσης ευαίσθητο στη θερμότητα, η οποία περιορίζει την ευελιξία κατά τη διαδικασία παραγωγής. Αλλά η ομάδα ανακάλυψε ότι μειώνοντας την ποσότητα του αρσενικού κάτω από τα επίπεδα που προηγουμένως θεωρούνταν αποδεκτά, μπορούν να «ανατρέψουν» την πολικότητα των προσμείξεων πυριτίου, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιήσουν το φθηνότερο, ασφαλέστερο στοιχείο τόσο για τη θετική όσο και για την αρνητική πλευρά.

«Το να μπορείς να αλλάξεις την πολικότητα του φορέα μοιάζει με την ατομική «αμφιδεξιότητα»», λέει ο Richard Field, πρώην διδακτορικός φοιτητής που εργάστηκε στο έργο. «Ακριβώς όπως τα άτομα με φυσική αμφιδεξιότητα, είναι αρκετά ασυνήθιστο να βρίσκουμε ατομικές ακαθαρσίες με αυτή την ικανότητα».

Μαζί, η βελτιωμένη διαδικασία ντόπινγκ και το νέο κράμα θα μπορούσαν να κάνουν τους ημιαγωγούς που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συγκεντρωτών έως και 30 τοις εκατό φθηνότερους στην παραγωγή, ένα μεγάλο βήμα για να γίνουν οι κυψέλες υψηλής απόδοσης πρακτικές για μεγάλης κλίμακας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

«Ουσιαστικά, αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να κατασκευάσουμε αυτούς τους ημιαγωγούς με λιγότερα ατομικά δοχεία ψεκασμού και κάθε δοχείο είναι σημαντικά λιγότερο ακριβό», λέει η Goldman. «Στον κόσμο της παραγωγής, αυτό το είδος απλοποίησης είναι πολύ σημαντικό. Αυτά τα νέα κράματα και τα πρόσμικτα είναι επίσης πιο σταθερά, γεγονός που δίνει στους κατασκευαστές μεγαλύτερη ευελιξία καθώς οι ημιαγωγοί κινούνται στη διαδικασία κατασκευής».

Το νέο κράμα περιγράφεται λεπτομερώς σε ένα άρθρο που εμφανίζεται στο περιοδικό Εφαρμοσμένα γράμματα φυσικής. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Έρευνας Μεταπτυχιακών Φοιτητών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ υποστήριξαν την έρευνα.

πηγή: Πανεπιστήμιο του Michigan

Σχετικές Βιβλία:

at InnerSelf Market και Amazon