นักวิจัยได้พัฒนาโลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ที่สามารถจับแสงอินฟราเรดใกล้บริเวณขอบสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้
ผลิตได้ง่ายกว่าและมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าสูตรก่อนหน้าอย่างน้อย 25 เปอร์เซ็นต์ เชื่อกันว่าเป็นวัสดุที่คุ้มค่าที่สุดในโลกที่สามารถจับแสงใกล้อินฟราเรด และเข้ากันได้กับสารกึ่งตัวนำแกลเลียม arsenide ที่มักใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบคอนเซนเตอร์
“เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Concentrator สามารถให้พลังงานแก่คนรุ่นต่อไปได้” เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Concentrator รวบรวมและโฟกัสแสงอาทิตย์ไปยังเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งทำจากแกลเลียม อาร์เซไนด์หรือสารกึ่งตัวนำเจอร์เมเนียม พวกเขากำลังดำเนินการเพื่อให้ได้อัตราประสิทธิภาพที่มากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนแบบจอแบนแบบธรรมดาจะมียอดขายสูงสุดในช่วงกลางทศวรรษที่ 20
Rachel Goldman ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ รวมทั้งฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมิชิแกน ซึ่งห้องทดลองของเขาได้พัฒนาโลหะผสมดังกล่าว กล่าวว่า "ซิลิคอนแบบแผ่นเรียบนั้นใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดในแง่ของประสิทธิภาพ" “ต้นทุนของซิลิกอนไม่ลดลงและประสิทธิภาพก็ไม่เพิ่มขึ้น เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Concentrator สามารถให้พลังงานแก่คนรุ่นต่อไปได้”
เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด concentrator มีอยู่ในปัจจุบัน พวกเขาทำจากโลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันสามชั้นเข้าด้วยกัน พ่นลงบนเซมิคอนดักเตอร์เวเฟอร์ในกระบวนการที่เรียกว่า epitaxy ของลำแสงโมเลกุล—คล้ายกับการพ่นสีด้วยองค์ประกอบแต่ละอย่าง—แต่ละชั้นมีความหนาเพียงไม่กี่ไมครอน เลเยอร์จับส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัมสุริยะ แสงที่ลอดผ่านชั้นหนึ่งจะถูกดักจับโดยชั้นถัดไป
แต่แสงอินฟราเรดใกล้จะเล็ดลอดผ่านเซลล์เหล่านี้ไปโดยไม่มีใครควบคุม เป็นเวลาหลายปีที่นักวิจัยได้ทำงานเพื่อหาโลหะผสม "ชั้นที่สี่" ที่เข้าใจยากซึ่งสามารถประกบเข้าไปในเซลล์เพื่อจับภาพแสงนี้ มันเป็นคำสั่งที่สูง โลหะผสมต้องมีความคุ้มทุน เสถียร ทนทาน และไวต่อแสงอินฟราเรด โดยมีโครงสร้างอะตอมที่เข้าคู่กับเซลล์สุริยะอีกสามชั้น
การหาตัวแปรเหล่านั้นให้ถูกต้องนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย และจนถึงขณะนี้ นักวิจัยยังคงติดอยู่กับสูตรราคาแพงที่ต้องใช้ห้าองค์ประกอบขึ้นไป
เพื่อหาส่วนผสมที่ง่ายกว่า ทีมของโกลด์แมนได้คิดค้นแนวทางใหม่ในการติดตามดูตัวแปรต่างๆ ในกระบวนการ พวกเขารวมวิธีการวัดบนพื้นดินรวมถึงการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ที่ทำในมหาวิทยาลัยและการวิเคราะห์ลำแสงไอออนที่ทำที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอสด้วยการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นเอง
โดยใช้วิธีนี้ พวกเขาค้นพบว่าโมเลกุลสารหนูชนิดที่แตกต่างกันเล็กน้อยจะจับคู่กับบิสมัทได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น พวกเขาสามารถปรับปริมาณไนโตรเจนและบิสมัทในส่วนผสมได้ ทำให้สามารถขจัดขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติมที่ต้องใช้สูตรก่อนหน้านี้ และพวกเขาพบอุณหภูมิที่เหมาะสมอย่างแม่นยำซึ่งจะช่วยให้องค์ประกอบต่างๆ ผสมกันได้อย่างราบรื่นและยึดติดกับพื้นผิวอย่างแน่นหนา
“'เวทมนตร์' ไม่ใช่คำที่เราใช้บ่อยในฐานะนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ” โกลด์แมนกล่าว “แต่นั่นคือสิ่งที่รู้สึกเมื่อเราทำถูกต้องในที่สุด”
ความก้าวหน้าเกิดขึ้นจากนวัตกรรมอื่นจากห้องทดลองของโกลด์แมนที่ทำให้กระบวนการ "ยาสลบ" ง่ายขึ้น ซึ่งใช้ในการปรับแต่งคุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้นเคมีในสารกึ่งตัวนำแกลเลียม อาร์เซไนด์
ในระหว่างการเติมสาร ผู้ผลิตจะใช้สารเคมีผสมกันที่เรียกว่า "สิ่งเจือปนจากนักออกแบบ" เพื่อเปลี่ยนวิธีที่เซมิคอนดักเตอร์นำไฟฟ้าและให้ขั้วบวกและขั้วลบคล้ายกับขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ สารเติมแต่งที่มักใช้สำหรับสารกึ่งตัวนำแกลเลียม arsenide คือซิลิกอนด้านลบและเบริลเลียมในด้านบวก
เบริลเลียมเป็นปัญหา—เป็นพิษและมีราคาสูงกว่าสารเจือซิลิกอนประมาณ 10 เท่า เบริลเลียมยังไวต่อความร้อน ซึ่งจำกัดความยืดหยุ่นในระหว่างกระบวนการผลิต แต่ทีมงานค้นพบว่าการลดปริมาณสารหนูให้ต่ำกว่าระดับที่เคยถือว่ายอมรับได้ พวกเขาสามารถ "พลิก" ขั้วของสารเจือซิลิกอน ทำให้พวกเขาสามารถใช้องค์ประกอบที่ถูกกว่าและปลอดภัยกว่าสำหรับทั้งด้านบวกและด้านลบ
Richard Field อดีตนักศึกษาปริญญาเอกที่ทำงานในโครงการกล่าวว่า "ความสามารถในการเปลี่ยนขั้วของพาหะก็เหมือนกับ 'การตีสองหน้า' ของอะตอม “เช่นเดียวกับคนที่มีความสามารถในการตีสองหน้าโดยกำเนิด เป็นเรื่องปกติที่จะพบสิ่งเจือปนปรมาณูด้วยความสามารถนี้”
กระบวนการเติมสารโด๊ปที่ได้รับการปรับปรุงและโลหะผสมใหม่สามารถทำให้เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในโฟโตโวลตาอิกแบบรวมหัวมีราคาถูกกว่าการผลิตถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นก้าวสำคัญในการทำให้เซลล์ประสิทธิภาพสูงใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่
"โดยพื้นฐานแล้วสิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถสร้างเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ด้วยกระป๋องสเปรย์ปรมาณูน้อยลงและแต่ละกระป๋องมีราคาไม่แพงมาก" โกลด์แมนกล่าว “ในโลกของการผลิต การทำให้เข้าใจง่ายแบบนั้นมีความสำคัญมาก โลหะผสมและสารเจือปนใหม่เหล่านี้ยังมีเสถียรภาพมากขึ้น ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตมีความยืดหยุ่นมากขึ้นเมื่อเซมิคอนดักเตอร์เคลื่อนผ่านกระบวนการผลิต”
โลหะผสมใหม่มีรายละเอียดอยู่ในกระดาษที่ปรากฏในวารสาร ประยุกต์ฟิสิกส์จดหมาย. มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและสำนักงานวิจัยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของกระทรวงพลังงานสหรัฐสนับสนุนการวิจัย
ที่มา: มหาวิทยาลัยมิชิแกน
หนังสือที่เกี่ยวข้อง:
at ตลาดภายในและอเมซอน
