연구원은 가시 광선 스펙트럼의 가장자리에 위치한 근적외선을 포착 할 수있는 새로운 종류의 반도체 합금을 개발했습니다.
제조가 쉽고 25 백분율이 이전 공식보다 저렴하며 근적외선을 포착 할 수있는 세계에서 가장 경제적 인 재료로 알려져 있으며 집중 형 태양 전지에서 자주 사용되는 갈륨 비소 반도체와 호환됩니다.
"집광기 광전지는 차세대에 전력을 공급할 수 있습니다."집광기 광전지는 갈륨 비소 또는 게르마늄 반도체로 만든 작고 고효율의 태양 전지에 햇빛을 모으고 집중시킵니다. 그들은 50 퍼센트 이상의 효율을 달성하기 위해 궤도를 도는 반면 20 중반에는 일반 평면 패널 실리콘 태양 전지를 사용합니다.
"평면 패널 실리콘은 기본적으로 효율 측면에서 최대가되고 있습니다."라헬 골드만 (Rachel Goldman) 재료 과학 및 공학 교수는 물론 미시간 대학교 물리학과 교수도 말했다. "실리콘 비용은 줄어들지 않고 효율은 올라가지 않습니다. 집광기 태양 전지는 다음 세대에 전력을 공급할 수 있습니다. "
오늘날 농축기 광전지의 종류가 존재합니다. 그들은 3 개의 서로 다른 반도체 합금으로 이루어져 있습니다. 분자 빔 에피 택시 (molecular-beam epitaxy) 라 불리는 공정에서 반도체 웨이퍼 위에 분사됩니다. 개별 요소가있는 스프레이 페인팅과 비슷합니다. 각 레이어는 단지 몇 마이크론 두께입니다. 레이어는 태양 스펙트럼의 다른 부분을 캡처합니다. 한 층을 통과하는 빛은 다음 층에 의해 포착됩니다.
그러나 근적외선 빛은이 세포들을 통해 미끄러 져 나갑니다. 수년 동안 연구자들은이 빛을 포착하기 위해 세포에 끼어들 수있는 어려운 "제 4 층"합금을 연구하고 있습니다. 키가 큰 주문입니다. 합금은 태양 전지의 다른 세 층과 일치하는 원자 구조로 적외선에 민감하고 비용 효과적이며 안정적이며 내구성이 있어야하며 민감해야합니다.
모든 변수를 올바르게 얻는 것은 쉽지 않습니다. 지금까지 연구원들은 5 가지 요소 이상을 사용하는 엄청나게 비싼 수식을 고수했습니다.
더 간단한 조합을 찾기 위해 Goldman 팀은 프로세스의 많은 변수를 파악하기위한 새로운 접근법을 고안했습니다. 그들은 대학에서 실시한 X 선 회절과 로스 알 라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory)에서 맞춤형 컴퓨터 모델링을 통해 수행 된 이온빔 분석을 포함한 현장 측정 방법을 결합했습니다.
이 방법을 사용하여, 그들은 약간 다른 종류의 비소 분자가 비스무트와 더 효과적으로 짝을 지도록한다는 것을 발견했습니다. 그들은 믹스에서 질소와 비스무트의 양을 조정할 수 있었기 때문에 이전 수식에 필요한 추가 제조 단계를 없앨 수있었습니다. 그리고 그들은 엘리먼트들이 매끄럽게 섞이면서 기판에 단단히 붙을 수있는 정확한 온도를 발견했습니다.
"매직은 재료 과학자로 자주 사용하는 단어가 아닙니다."라고 Goldman은 말합니다. "그러나 그것이 마침내 우리가 마땅히 얻었을 때 느꼈던 것입니다."
진보는 갈륨 비소 반도체의 화학적 층의 전기적 특성을 조정하는 데 사용되는 "도핑"공정을 단순화 한 골드만 연구소의 또 다른 혁신 기술의 발판이되었습니다.
도핑하는 동안 제조업체는 반도체가 전기를 전도하고 배터리의 전극과 유사한 양극성과 음극성을 부여하는 방식을 변경하기 위해 "디자이너 불순물"이라는 화학 물질을 혼합하여 사용합니다. 갈륨 아세 나이드 반도체에 일반적으로 사용되는 도핑 제는 음의 측의 실리콘과 양의 측의 베릴륨이다.
베릴륨은 문제가있어 독성이 있으며 실리콘 도펀트보다 10 배 많은 비용이 든다. 베릴륨은 또한 열에 민감하여 제조 과정에서 유연성을 제한합니다. 그러나 연구팀은 이전에 받아 들일 수있는 수준 이하의 비소의 양을 줄임으로써 실리콘 도펀트의 극성을 "뒤집을"수있어 긍정적이고 부정적인 측면 모두에서보다 저렴하고 안전한 요소를 사용할 수 있음을 발견했다.
"사업자의 극성을 바꿀 수 있다는 것은 원자 양손과 비슷합니다."라고이 프로젝트에 참여한 전직 박사 과정 학생 인 Richard Field는 말합니다. "자연적으로 태어난 양성 반응을하는 사람들처럼,이 능력으로 원자가 불순물을 발견하는 것은 매우 드문 일입니다."
개선 된 도핑 공정과 새로운 합금은 함께 농축기 태양 광 발전에 사용되는 반도체를 30 %만큼 생산하기에 저렴하게 만들 수 있으며, 대규모 전기 생산을 위해 고효율 셀을 실용화하기위한 커다란 단계입니다.
골드만은 "본질적으로, 이로 인해 우리는 더 적은 원자 스프레이 캔으로이 반도체를 제조 할 수있게되었고, 각각의 캔은 훨씬 저렴 해졌습니다. "제조 업계에서는 이러한 종류의 단순화가 매우 중요합니다. 이 새로운 합금 및 도펀트는 또한 안정적이며 제조 공정을 통해 반도체가 이동함에 따라 제조사에게 더 많은 유연성을 제공합니다. "
새로운 합금은 저널에 게재 된 논문에 자세히 나와 있습니다. 응용 물리 편지. 국립 과학 재단 (National Science Foundation)과 미국 에너지 국 (US Department of Energy)의 대학원생 연구 (College Grade Student Research)가이 연구를 지원했습니다.
출처: 미시간 대학
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