חוקרים פיתחו סוג חדש של סגסוגת מוליכים למחצה המסוגלת ללכוד את האור הקרוב לאינפרא אדום הממוקם בקצה ספקטרום האור הנראה.
הוא קל יותר לייצר ולפחות 25 אחוז פחות יקר מתכשירים קודמים, והוא האמין שהוא החומר הכי חסכוני בעולם שיכול ללכוד אור אינפרא אדום קרוב - והוא תואם למוליכים למחצה של גליום ארסניד המשמשים לעתים קרובות בפוטו וולטיקה של ריכוז.
"פוטו וולטאיות של רכז יכול להניע את הדור הבא." פוטו וולטאיות של ריכוז אוספות וממקדות את אור השמש על תאים סולאריים קטנים ויעילים במיוחד העשויים מוליכים למחצה גליום או גרמניום. הם בדרך להשיג שיעורי יעילות של למעלה מ -50 אחוזים, בעוד שתאי שמש סיליקון עם לוח שטוח יוצאים מגדרם באמצע שנות העשרים.
"סיליקון שטוח הוא בעיקרון מקסימלי מבחינת יעילות", אומרת רייצ'ל גולדמן, פרופסור למדעי חומרים והנדסה, כמו גם פיזיקה באוניברסיטת מישיגן, שבמעבדה שלה פיתחו את הסגסוגת. "עלות הסיליקון לא יורדת והיעילות לא עולה. פוטו וולטאיות של ריכוז יכולות להניע את הדור הבא. "
קיימים כיום מגוון של פוטו וולטאיות ריכוז. הם עשויים משלושה סגסוגות מוליכים למחצה שונים שכבות זה בזה. רוסס על גבי רקיק מוליך למחצה בתהליך שנקרא אפיטקסיה של קרן מולקולרית - קצת כמו צביעה בהתזה עם אלמנטים בודדים - כל שכבה בעובי של כמה מיקרון בלבד. השכבות לוכדות חלקים שונים של הספקטרום הסולארי; אור שעובר דרך שכבה אחת נתפס על ידי השכבה הבאה.
אבל אור כמעט אינפרא אדום מחליק דרך התאים האלה ללא רתמה. במשך שנים חוקרים עובדים לקראת סגסוגת "שכבה רביעית" חמקמקה שיכולה להידבק בתאים כדי ללכוד את האור הזה. זה צו גבוה; הסגסוגת חייבת להיות חסכונית, יציבה, עמידה ורגישה לאור אינפרא אדום, עם מבנה אטומי התואם לשלושת השכבות האחרות בתא השמש.
לתקן את כל המשתנים האלה לא קל, ועד עכשיו החוקרים נתקעו בנוסחאות יקרות להפליא המשתמשות בחמישה אלמנטים ומעלה.
כדי למצוא תמהיל פשוט יותר, צוותו של גולדמן המציא גישה חדשנית לשמירה על המשתנים הרבים בתהליך. הם שילבו שיטות מדידה בשטח כולל עקיפת רנטגן שנעשתה באוניברסיטה וניתוח קרני יונים שנעשו במעבדה הלאומית לוס אלמוס עם דוגמנות מחשב בהתאמה אישית.
באמצעות שיטה זו הם גילו כי מולקולת ארסן מסוג מעט שונה תשתלב בצורה יעילה יותר עם הביסמוט. הם הצליחו לכוונן את כמות החנקן והביסמוט בתערובת, מה שאפשר להם לבטל שלב ייצור נוסף שדרוש לנוסחאות קודמות. והם מצאו בדיוק את הטמפרטורה הנכונה שתאפשר לאלמנטים להתערבב בצורה חלקה ולהיצמד למצע בצורה מאובטחת.
"'קסם' אינו מילה שאנו משתמשים בה לעתים קרובות כמדענים חומרים", אומר גולדמן. "אבל ככה זה הרגיש כשסוף סוף הבנו את זה נכון."
ההתקדמות באה בעקבות חידוש נוסף ממעבדתו של גולדמן המפשט את תהליך ה"סמים "המשמש לציון התכונות החשמליות של השכבות הכימיות במוליכים למחצה של גליום ארסניד.
במהלך הסמים מייצרים היצרנים תערובת של כימיקלים הנקראים "זיהומים מעוצבים" כדי לשנות את אופן המוליכים למחצה ולהעניק להם קוטביות חיובית ושלילית בדומה לאלקטרודות של סוללה. חומרי הסמים המשמשים בדרך כלל למוליכים למחצה של גליום ארסניד הם סיליקון בצד השלילי ובריליום בצד החיובי.
הבריליום הוא בעיה - הוא רעיל והוא עולה בערך פי 10 מסמים מסיליקון. בריליום רגיש גם לחום, מה שמגביל את הגמישות בתהליך הייצור. אולם הצוות גילה כי על ידי הפחתת כמות הארסן מתחת לרמות שנחשבו מקובלות בעבר, הם יכולים "להעיף" את הקוטביות של חומרי הסם מסיליקון, מה שמאפשר להם להשתמש באלמנט הזול והבטוח יותר עבור הצדדים החיוביים והשליליים.
"היכולת לשנות את הקוטביות של המוביל היא כמעט כמו 'אמביסטרקסיות' אטומית", אומר ריצ'רד פילד, דוקטורנט לשעבר שעבד על הפרויקט. "בדיוק כמו אנשים עם אמביסטריסטיות שנולדו באופן טבעי, זה די נדיר למצוא זיהומים אטומיים עם יכולת זו."
יחד, תהליך הסימון המשופר והסגסוגת החדשה עשויים להפוך את המוליכים למחצה המשמשים בפוטו וולטאיקה של רכז לזול יותר לייצור, וזאת צעד גדול לקראת הפיכת התאים היעילים ביותר ליישומי ייצור חשמל בהיקפים גדולים.
"בעיקרון זה מאפשר לנו לייצר מוליכים למחצה אלה עם פחות פחיות ריסוס אטומיות, וכל פחית פחות יקרה באופן משמעותי", אומר גולדמן. "בעולם הייצור, סוג זה של פשטות הוא משמעותי מאוד. סגסוגות ומסממים חדשים אלה גם יציבים יותר, מה שמעניק ליצרנים יותר גמישות ככל שמוליכים למחצה עוברים את תהליך הייצור. "
הסגסוגת החדשה מפורטת בעיתון המופיע בכתב העת פיסיקה יישומית מכתבים. הקרן הלאומית למדע ומשרד האנרגיה של ארה"ב למחקר סטודנטים לתארים מתקדמים תמכו במחקר.
מקור: אוניברסיטת מישיגן
ספרים קשורים:
at InnerSelf Market ואמזון
