طور الباحثون نوعًا جديدًا من سبيكة أشباه الموصلات قادرة على التقاط ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة من حافة طيف الضوء المرئي.
أسهل لتصنيع 25 على الأقل وأقل تكلفة من التركيبات السابقة ، ويعتقد أنها أكثر المواد فعالية من حيث التكلفة في العالم والتي يمكن أن تلتقط ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة - وهي متوافقة مع أشباه الموصلات زرنيخيد ال gallاليوم التي غالبًا ما تستخدم في الخلايا الكهروضوئية المركزة.
"إن الخلايا الفولتية الضوئية المركزة يمكنها أن تمد الجيل التالي". تجمع الخلايا الفولتية الضوئية المركزة وتركيز ضوء الشمس على خلايا شمسية صغيرة عالية الكفاءة مصنوعة من زرنيخيد ال gallاليوم أو أشباه موصلات الجرمانيوم. وهي في طريقها لتحقيق معدلات كفاءة أعلى من 50 في المائة ، في حين أن الخلايا الشمسية السليكونية التقليدية المسطحة تنتشر في منتصف 20s.
تقول راشيل غولدمان ، أستاذة علوم وهندسة المواد ، بالإضافة إلى الفيزياء في جامعة ميتشيغان ، التي طور مختبرها السبيكة: "إن السليكون ذو اللوحة المسطحة هو في الأساس من حيث الكفاءة". "إن تكلفة السيليكون لن تنخفض ، والكفاءة لا ترتفع. يمكن أن تعمل الخلايا الفولت ضوئية المركزة على تزويد الجيل التالي بالطاقة ".
توجد أصناف من الخلايا الكهروضوئية المكثفة اليوم. وهي مصنوعة من ثلاثة أنواع مختلفة من أشباه الموصلات ذات الطبقات. يتم رشها على رقاقة شبه موصلة في عملية يطلق عليها اسم epitaxy - شعاع جزيئي - تشبه لوح الطلاء مع عناصر فردية - كل طبقة ليست سوى بضعة ميكرونات سميكة. تلتقط الطبقات أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي ؛ يتم التقاط الضوء الذي يحصل من خلال طبقة واحدة في اليوم التالي.
ولكن ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة ينزلق من خلال هذه الخلايا غير مثبتة. لسنوات ، كان الباحثون يعملون نحو سبيكة "الطبقة الرابعة" المراوغة التي يمكن وضعها في خلايا لالتقاط هذا الضوء. إنه أمر طويل يجب أن تكون السبائك فعالة من حيث التكلفة ومستقرة ودائمة وحساسة للضوء تحت الحمراء ، مع بنية ذرية تتطابق مع الطبقات الثلاث الأخرى في الخلية الشمسية.
إن الحصول على كل هذه المتغيرات بشكل صحيح ليس سهلاً ، وحتى الآن ، ظل الباحثون عالقين بصيغ باهظة التكلفة تستخدم خمسة عناصر أو أكثر.
للعثور على مزيج أكثر بساطة ، ابتكر فريق Goldman منهجًا جديدًا لحفظ علامات التبويب على المتغيرات العديدة في العملية. وقد جمعوا بين أساليب القياس على الأرض بما في ذلك حيود الأشعة السينية الذي تم إجراؤه في الجامعة وتحليل شعاعي الأيون في مختبر لوس ألاموس الوطني مع نمذجة حاسوبية مبنية حسب الطلب.
باستخدام هذه الطريقة ، اكتشفوا أن نوعًا مختلفًا نوعًا ما من جزيئات الزرنيخ سوف يتزاوج بشكل أكثر فعالية مع البزموت. كانوا قادرين على تعديل كمية النتروجين والبزموت في الخليط ، مما مكنهم من القضاء على خطوة تصنيع إضافية تتطلبها الصيغ السابقة. ووجدوا بدقة درجة الحرارة المناسبة التي من شأنها تمكين العناصر من الخلط بسلاسة والالتزام بالركيزة بشكل آمن.
تقول غولدمان: "السحر ليس كلمة نستخدمها في كثير من الأحيان كعلماء مواد". "لكن هذا هو ما شعرت به عندما وصلنا أخيرا بشكل صحيح."
ويأتي هذا التقدم في أعقاب ابتكار آخر من مختبر جولدمان الذي يبسط عملية "تناول المنشطات" المستخدمة في تعديل الخواص الكهربائية للطبقات الكيميائية في أشباه موصلات زرنيخيد ال gallاليوم.
أثناء تعاطي المنشطات ، يقوم المصنعون بتطبيق مزيج من المواد الكيميائية تسمى "الشوائب المصممة" لتغيير طريقة توصيل أشباه الموصلات بالكهرباء وإعطائها قطبية موجبة وسالبة شبيهة بأقطاب البطارية. وكلاء المنشطات المستخدمة عادة لأشباه الموصلات الأرسينيد غاليوم هي السيليكون على الجانب السلبي والبريليوم على الجانب الإيجابي.
البريليوم مشكلة - فهو سام ويكلف 10 أكثر من مثبطات السليكون. البريليوم حساس أيضًا للحرارة ، مما يحد من المرونة أثناء عملية التصنيع. لكن الفريق اكتشف أنه من خلال تقليل كمية الزرنيخ إلى ما دون المستويات التي كانت مقبولة سابقاً ، يمكن أن "تقلب" قطبية مادة دوبوت السيليكون ، مما يمكنها من استخدام العنصر الأرخص والأكثر أمانًا لكل من الجانبين الإيجابي والسلبي.
يقول ريتشارد فيلد ، طالب الدكتوراه السابق الذي عمل في المشروع: "القدرة على تغيير قطبية الناقل هي نوع من" الذكاء "الذري". "تمامًا مثل الأشخاص الذين يولدون بشكل طبيعي ، من الشائع جدًا العثور على شوائب ذرية بهذه القدرة".
معًا ، يمكن لعملية تصنيع المنشطات المحسّنة والسبيكة الجديدة أن تجعل أشباه الموصلات المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية المركزة أقل مما يمكن إنتاجه من 30 ، وهو خطوة كبيرة نحو جعل الخلايا عالية الكفاءة عملية لتوليد الكهرباء على نطاق واسع.
تقول غولدمان: "في الأساس ، يمكننا هذا من جعل أشباه الموصلات هذه تحتوي على عدد أقل من علب الرذاذ الذرية ، وكل منها يمكن أن يكون أقل كلفة بكثير". "في عالم التصنيع ، هذا النوع من التبسيط مهم للغاية. كما أن هذه السبائك الجديدة والدوبانتس أكثر استقرارًا أيضًا ، الأمر الذي يمنح صانعي مزيدًا من المرونة مع انتقال أشباه الموصلات خلال عملية التصنيع. "
السبيكة الجديدة مفصلة في ورقة تظهر في المجلة رسائل الفيزياء التطبيقية. دعمت المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة العلوم الأمريكية في مكتب الدراسات العليا لطلاب الدراسات العليا البحث العلمي.
المصدر جامعة ميشيغان
كتب ذات صلة:
at سوق InnerSelf و Amazon
