Forscher haben eine neue Art von Halbleiterlegierung entwickelt, die in der Lage ist, das nahe Infrarotlicht zu erfassen, das sich am Rand des sichtbaren Lichtspektrums befindet.
Es ist einfacher herzustellen und mindestens 25 Prozent kostengünstiger als frühere Formulierungen und gilt als das kostengünstigste Material der Welt, das Licht im nahen Infrarot einfangen kann – und mit den Galliumarsenid-Halbleitern kompatibel ist, die häufig in der Konzentrator-Photovoltaik verwendet werden.
„Konzentrator-Photovoltaik könnte die nächste Generation antreiben.“ Konzentrator-Photovoltaik sammelt und fokussiert Sonnenlicht auf kleine, hocheffiziente Solarzellen aus Galliumarsenid- oder Germanium-Halbleitern. Sie sind auf dem besten Weg, Wirkungsgrade von über 50 Prozent zu erreichen, während herkömmliche Flach-Silizium-Solarzellen ihren Höhepunkt bei Mitte 20 erreichen.
„Flachbildschirm-Silizium ist in puncto Effizienz praktisch ausgereizt“, sagt Rachel Goldman, Professorin für Materialwissenschaft und -technik sowie Physik an der University of Michigan, deren Labor die Legierung entwickelt hat. „Die Kosten für Silizium sinken nicht und die Effizienz steigt nicht. Konzentrator-Photovoltaik könnte die nächste Generation antreiben.“
Heutzutage gibt es verschiedene Arten von Konzentrator-Photovoltaik. Sie bestehen aus drei verschiedenen, übereinander geschichteten Halbleiterlegierungen. Jede Schicht wird in einem Verfahren namens Molekularstrahlepitaxie auf einen Halbleiterwafer aufgesprüht – ein bisschen wie beim Sprühlackieren mit einzelnen Elementen – und ist nur wenige Mikrometer dick. Die Schichten fangen verschiedene Teile des Sonnenspektrums ein; Licht, das durch eine Schicht dringt, wird von der nächsten eingefangen.
Doch Licht im nahen Infrarotbereich dringt ungehindert durch diese Zellen. Seit Jahren arbeiten Forscher an einer schwer fassbaren „vierten Schicht“-Legierung, die in Zellen eingebaut werden könnte, um dieses Licht einzufangen. Es ist eine große Aufgabe; Die Legierung muss kostengünstig, stabil, langlebig und empfindlich gegenüber Infrarotlicht sein und eine Atomstruktur aufweisen, die zu den anderen drei Schichten in der Solarzelle passt.
Es ist nicht einfach, all diese Variablen richtig hinzubekommen, und bisher mussten sich Forscher auf unerschwinglich teure Formeln beschränken, die fünf oder mehr Elemente verwenden.
Um eine einfachere Mischung zu finden, entwickelte Goldmans Team einen neuartigen Ansatz, um die vielen Variablen im Prozess im Auge zu behalten. Sie kombinierten Messmethoden vor Ort, darunter Röntgenbeugung an der Universität und Ionenstrahlanalyse am Los Alamos National Laboratory, mit maßgeschneiderter Computermodellierung.
Mit dieser Methode entdeckten sie, dass sich ein etwas anderer Typ von Arsenmolekülen effektiver mit dem Wismut paaren würde. Sie konnten die Menge an Stickstoff und Wismut in der Mischung optimieren und so einen zusätzlichen Herstellungsschritt einsparen, der bei früheren Formeln erforderlich war. Und sie fanden genau die richtige Temperatur, damit sich die Elemente reibungslos vermischen und sicher am Untergrund haften konnten.
„‚Magie‘ ist ein Wort, das wir als Materialwissenschaftler nicht oft verwenden“, sagt Goldman. „Aber genau so fühlte es sich an, als wir es endlich richtig hinbekamen.“
Der Fortschritt folgt auf eine weitere Innovation aus Goldmans Labor, die den „Dotierungsprozess“ vereinfacht, der zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften der chemischen Schichten in Galliumarsenid-Halbleitern verwendet wird.
Beim Dotieren verwenden Hersteller eine Mischung aus Chemikalien, sogenannte „Designer-Verunreinigungen“, um die Art und Weise zu verändern, wie Halbleiter Elektrizität leiten, und ihnen eine positive und negative Polarität zu verleihen, ähnlich wie die Elektroden einer Batterie. Die üblicherweise für Galliumarsenid-Halbleiter verwendeten Dotierungsmittel sind Silizium auf der negativen Seite und Beryllium auf der positiven Seite.
Das Beryllium ist ein Problem – es ist giftig und kostet etwa zehnmal mehr als Silizium-Dotierstoffe. Beryllium ist außerdem hitzeempfindlich, was die Flexibilität während des Herstellungsprozesses einschränkt. Das Team entdeckte jedoch, dass durch die Reduzierung der Arsenmenge unter ein zuvor als akzeptabel angesehenes Niveau die Polarität von Silizium-Dotierstoffen „umgedreht“ werden kann, sodass das billigere und sicherere Element sowohl für die positive als auch für die negative Seite verwendet werden kann.
„Die Möglichkeit, die Polarität des Trägers zu ändern, ist so etwas wie atomare ‚Beidhändigkeit‘“, sagt Richard Field, ein ehemaliger Doktorand, der an dem Projekt gearbeitet hat. „Genau wie bei Menschen mit angeborener Beidhändigkeit ist es ziemlich ungewöhnlich, mit dieser Fähigkeit atomare Verunreinigungen zu finden.“
Zusammen könnten der verbesserte Dotierungsprozess und die neue Legierung die Herstellung der in der Konzentrator-Photovoltaik verwendeten Halbleiter um bis zu 30 Prozent verbilligen, was ein großer Schritt hin zur praktischen Anwendbarkeit der hocheffizienten Zellen für die Stromerzeugung im großen Maßstab wäre.
„Im Wesentlichen ermöglicht uns dies, diese Halbleiter mit weniger Atomsprühdosen herzustellen, und jede Dose ist deutlich kostengünstiger“, sagt Goldman. „In der Fertigungswelt ist diese Art der Vereinfachung sehr wichtig. Diese neuen Legierungen und Dotierstoffe sind außerdem stabiler, was den Herstellern mehr Flexibilität gibt, während die Halbleiter den Herstellungsprozess durchlaufen.“
Die neue Legierung wird in einem Artikel im Journal detailliert beschrieben Applied Physics Letters. Die National Science Foundation und das Office of Science Graduate Student Research des US-Energieministeriums unterstützten die Forschung.
Quelle: University of Michigan
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