Genombrott gör det möjligt att tillverka billiga solceller från någon halvledare

Anonim

Genombrott gör det möjligt att tillverka billiga solceller från någon halvledare

Vetenskap

Brian Dodson

3 augusti 2012

3 bilder

En ny teknik gör att solceller från solceller kan produceras med någon halvledare (Photo: Shutterstock)

Trots sin förmåga att generera ren, grön el är solpaneler inte lika vanliga som de kunde vara. Den viktigaste stickpunkten är givetvis priset. På grund av deras behov av relativt dyra halvledarmaterial har konventionella solceller ännu inte en kostnadseffektiv kombination som kan konkurrera med andra elkällor. Nu Profs. Alex Zettl och Feng Wang från Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California i Berkeley har utvecklat allvarligt okonventionell solcellsteknik som gör det möjligt att använda nästan halvledarmaterial för att skapa fotovoltaiska celler.

En solcell fungerar enligt dessa steg. Först träffar solljuset solcellen och absorberas av halvledaren som solcellen är gjord av. I absorptionsprocessen befrias elektroner från sina atomer, så att de kan strömma genom halvledaren. Förekomsten av en pn-övergång verkar som en diod, vilket bara låter elektronerna flytta i en enda riktning. (Elektroner och hål rör sig i motsatta riktningar, men den elektriska strömmen rör sig bara i en.) Metallelektroder överför sedan det ljusgenererade elektronflödet till en elektrisk krets för användning. En pn-övergång är gränssnittet mellan en region av halvledaren där dominerande laddningsbärare är hål och en region där bärarna är elektroner.

Hur en solcell fungerar (Bild: Brian Dodson)

En konventionell solcell är tillverkad av en tunn wafer av en halvledare med en metallelektrode avsatt på dess baksida. Den sida som vender mot ljuskällan är polerad finare än någon optisk lins, rengjord till atomnivån och dopantatomer avsätts på framsidan, varefter hela skivan placeras i en diffusionsugn med hög temperatur.

Syftet med en dopant är att ändra den dominerande laddningsbäraren i halvledaren från hålrik till elektronrik, eller vv. I denna process bildas den pn-förbindelse som omvandlar infallande ljus till ett flöde av elektroner. Efter diffusion rengörs skivan återigen och en metallelektrod odlas på framsidan med hjälp av arcane ritualer för att säkerställa en ohmisk kontakt med det aktiva halvledarmaterialet. (En ohmisk kontakt är en elektrisk kontakt som överensstämmer med Ohms lag, har inga korrigerande eller diodliknande egenskaper.)

Effektiviteten hos konventionella solceller är också begränsad av halvledande material som är lämpliga för tillverkning av solceller genom någon approximation av ovanstående process. Det måste vara möjligt att halvledarens dominerande laddningsbärare ändras mellan p (hål) och n (elektron) -dominerad ledning genom införande av kemiska dopmedel, så att en välbetagen pn-förbindelse bildas. Det måste också vara möjligt att göra en tillfredsställande elektrisk kontakt mellan elektroderna och halvledaren.

Det finns många halvledarmaterial med optiska egenskaper och elektroniska bandgapar som är väl lämpade för omvandling av ljus till elektricitet för vilket något av de ganska stela kriterierna för tillverkning av konventionella solceller misslyckas. Dessa inkluderar många metalloxider, sulfider och fosfider, som är rikliga och billiga, men har ansetts olämpliga eftersom det är så svårt att ändra sin elektroniska struktur kemiskt (t.ex. genom dopning). Zinkoxid är till exempel en halvledare som är väl lämpad för att fånga violett och nära ultraviolett ljus, vilket slösas bort av de flesta konventionella solceller.

Vi har nu Zettl och Wangs okonventionella solceller. Brutna ner, de dyra delarna av att göra vanliga solceller är halvledarskivan, som bildar en högkvalitativ pn-korsning under ytan av skivan och gör ohmisk elektrisk kontakt med fram- och baksidan av skivan. Bortsett från att tillhandahålla en halvledarskiva (vanligtvis av billigare material) behöver de nya solcellerna inget av detta.

Den nya tekniken heter "screening-engineered field-effect photovoltaics " (SFPV). En elektrod avsätts på framsidan av halvledarskivan, vilken delvis skärmer halvledaren från ett elektriskt fält som genereras mellan fram- och bakelektroderna. Antag att halvledaren är naturligt p-typ, så att den har ett överskott av hål. Det applicerade elektriska fältet penetrerar sedan halvledarytan något, lockar elektroner mot ytan och repellerande hål. Som ett resultat förändras halvledaren nära ytan från p-typ till n-typ (elektronrik), och en nedgrävd pn-förbindelse har genererats - inte genom kemi utan genom användning av noggrant anpassade elektriska fält. En extra bonus är att den främre elektroden automatiskt bildar en ohmisk kontakt med halvledarskivan.

"Vår teknik kräver endast elektrod- och grindavsättning, utan att det behövs kemisk dopning med hög temperatur, jonimplantation eller andra dyra eller skadliga processer", säger ledande författare till ett papper som beskriver den nya teknologin, William Regan. "Nyckeln till vår framgång är den minsta skärningen av grindfältet som uppnås genom geometrisk strukturering av toppelektroden. Detta gör att elektrisk kontakt och bärarmodulering av halvledaren kan utföras samtidigt. "

Två sätt att konstruera skärmens egenskaper hos SFPV-elektroder - fingerade elektroder till vänster, grafenelektroder till höger

Två elektrodkonfigurationer som uppvisar SFPV-konceptet har utvecklats. I en är elektroden i kontakt med halvledarskivan bildad av en rad smala fingrar, medan i den andra den partiella screeningen åstadkommes genom att placera ett lager av grafen ovanpå halvledarskivan. I båda fallen bildas högkvalitativa pn-korsningar i halvledare för vilka denna struktur tidigare var omöjlig.

Lågkostnad, solceller med hög effektivitet? Låter som en vinnare här - låt oss se när och om det träffar marknaden.

Lagets forskning publiceras i tidskriften Nano Letters .

Källa: Lawrence Berkeley National Laboratory

Två sätt att konstruera skärmens egenskaper hos SFPV-elektroder - fingerade elektroder till vänster, grafenelektroder till höger

Hur en solcell fungerar (Bild: Brian Dodson)

En ny teknik gör att solceller från solceller kan produceras med någon halvledare (Photo: Shutterstock)