I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di lega di semiconduttori in grado di catturare la luce nel vicino infrarosso situata sul bordo dello spettro di luce visibile.

Più facile da produrre e almeno 25 percentuale meno costoso rispetto alle formulazioni precedenti, si ritiene che sia il materiale più economico al mondo in grado di catturare la luce nel vicino infrarosso ed è compatibile con i semiconduttori di arseniuro di gallio spesso utilizzati nel fotovoltaico a concentrazione.

"Il fotovoltaico del concentratore potrebbe alimentare la prossima generazione." Il fotovoltaico del concentratore raccoglie e focalizza la luce solare su celle solari di piccole dimensioni ad alta efficienza fatte di arseniuro di gallio o semiconduttori di germanio. Sono sulla buona strada per raggiungere percentuali di efficienza superiori al 50 per cento, mentre le tradizionali celle solari in silicio a schermo piatto si posizionano al centro degli 20.

"Il silicio flat-panel è sostanzialmente al massimo in termini di efficienza", afferma Rachel Goldman, professore di scienze dei materiali e ingegneria, nonché di fisica presso l'Università del Michigan, il cui laboratorio ha sviluppato la lega. "Il costo del silicio non sta diminuendo e l'efficienza non sta aumentando. Il fotovoltaico del concentratore potrebbe alimentare la prossima generazione. "

Oggi esistono varietà di fotovoltaico concentratore. Sono fatti di tre diverse leghe di semiconduttori stratificate insieme. Spruzzato su un wafer a semiconduttore in un processo chiamato epitassia a fascio molecolare, un po 'come la verniciatura a spruzzo con singoli elementi, ogni strato ha uno spessore di pochi micron. Gli strati catturano diverse parti dello spettro solare; la luce che attraversa uno strato viene catturata dal successivo.

Ma la luce del vicino infrarosso scivola attraverso queste cellule senza energia. Per anni, i ricercatori hanno lavorato verso una lega inafferrabile "quarto strato" che potrebbe essere inserita nelle celle per catturare questa luce. È un ordine alto; la lega deve essere economica, stabile, duratura e sensibile alla luce infrarossa, con una struttura atomica che si adatta agli altri tre strati nella cella solare.

Ottenere tutte quelle variabili corrette non è facile, e fino ad ora, i ricercatori sono stati bloccati con formule proibitivamente costose che utilizzano cinque elementi o più.

Per trovare un mix più semplice, il team di Goldman ha escogitato un nuovo approccio per tenere sotto controllo le numerose variabili nel processo. Hanno combinato metodi di misurazione sul terreno, tra cui la diffrazione dei raggi X eseguita all'università e l'analisi del fascio ionico effettuata presso il Los Alamos National Laboratory con modelli di computer personalizzati.

Usando questo metodo, hanno scoperto che un tipo leggermente diverso di molecola di arsenico si accoppiava in modo più efficace con il bismuto. Sono stati in grado di modificare la quantità di azoto e bismuto nel mix, consentendo loro di eliminare un ulteriore passaggio di produzione richiesto dalle precedenti formule. E hanno trovato esattamente la giusta temperatura che avrebbe permesso agli elementi di mescolarsi facilmente e aderire al substrato in modo sicuro.

"'Magic' non è una parola che usiamo spesso come scienziati dei materiali", afferma Goldman. "Ma è quello che è sembrato quando abbiamo finalmente capito bene."

L'avanzata arriva sulla scia di un'altra innovazione del laboratorio di Goldman che semplifica il processo di "drogaggio" utilizzato per modificare le proprietà elettriche degli strati chimici nei semiconduttori di arseniuro di gallio.

Durante il doping, i produttori applicano un mix di sostanze chimiche chiamate "impurità progettuali" per modificare il modo in cui i semiconduttori conducono l'elettricità e forniscono loro polarità positiva e negativa simili agli elettrodi di una batteria. Gli agenti droganti normalmente usati per i semiconduttori di arseniuro di gallio sono il silicio sul lato negativo e il berillio sul lato positivo.

Il berillio è un problema: è tossico e costa circa 10 volte più dei droganti al silicio. Il berillio è anche sensibile al calore, il che limita la flessibilità durante il processo di produzione. Ma il team ha scoperto che riducendo la quantità di arsenico al di sotto di livelli precedentemente considerati accettabili, è possibile "capovolgere" la polarità dei droganti di silicio, consentendo loro di utilizzare l'elemento più economico e più sicuro per i lati positivi e negativi.

"Essere in grado di cambiare la polarità del vettore è un po 'come l'ambidestrezza atomica", dice Richard Field, un ex studente di dottorato che ha lavorato al progetto. "Proprio come le persone con ambidestro naturale, è abbastanza raro trovare impurità atomiche con questa abilità."

Insieme, il processo di doping migliorato e la nuova lega potrebbero rendere i semiconduttori utilizzati nel concentratore fotovoltaico tanto quanto 30 in percentuale meno costosi da produrre, un grande passo avanti per rendere le celle ad alta efficienza pratiche per la produzione di elettricità su larga scala.

"In sostanza, questo ci consente di realizzare questi semiconduttori con un minor numero di bombolette spray atomiche e ciascuna di esse è significativamente meno costosa", afferma Goldman. "Nel mondo della produzione, questo tipo di semplificazione è molto significativo. Queste nuove leghe e droganti sono anche più stabili, il che dà ai produttori una maggiore flessibilità mentre i semiconduttori si muovono attraverso il processo di produzione. "

La nuova lega è dettagliata in un documento che appare sul giornale Applied Physics Letters. La National Science Foundation e il Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti della Science Graduate Student Research hanno sostenuto la ricerca.

Fonte: University of Michigan

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