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 lässt sich leichter herstellen und ist mindestens 25 Prozent weniger teuer als frühere Formulierungen. Es gilt als das weltweit kostengünstigste Material, das Nahinfrarotlicht einfangen kann – und ist mit den Galliumarsenid-Halbleitern kompatibel, die häufig in der Konzentrator-Photovoltaik verwendet werden.
„Konzentrator-Photovoltaik könnte die nächste Generation mit Energie versorgen.“ Konzentrator-Photovoltaik sammelt und bündelt Sonnenlicht auf kleine, hocheffiziente Solarzellen aus Galliumarsenid- oder Germaniumhalbleitern. Sie werden voraussichtlich Wirkungsgrade von über 50 Prozent erreichen, während herkömmliche flache Silizium-Solarzellen nur etwa 20 Prozent erreichen.
„Flachbildschirm-Silizium ist in puncto Effizienz praktisch am Limit“, sagt Rachel Goldman, Professorin für Materialwissenschaft und -technik sowie Physik an der University of Michigan, deren Labor die Legierung entwickelt hat. „Die Siliziumkosten sinken nicht, und die Effizienz steigt nicht. Konzentrator-Photovoltaik könnte die nächste Generation antreiben.“
Heute gibt es verschiedene Arten von Konzentrator-Photovoltaik. Sie bestehen aus drei verschiedenen Halbleiterlegierungen, die übereinander geschichtet sind. Jede Schicht wird in einem Verfahren namens Molekularstrahlepitaxie – ähnlich wie beim Lackieren einzelner Elemente – auf einen Halbleiterwafer gesprüht und ist nur wenige Mikrometer dick. Die Schichten fangen unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums ein; Licht, das eine Schicht durchdringt, wird von der nächsten eingefangen.
Nahinfrarotlicht hingegen gelangt ungehindert durch diese Zellen. Seit Jahren arbeiten Forscher an einer schwer fassbaren „vierten Schicht“, einer Legierung, die in die Zellen eingearbeitet werden könnte, um dieses Licht einzufangen. Das ist eine anspruchsvolle Aufgabe: Die Legierung muss kostengünstig, stabil, langlebig und empfindlich gegenüber Infrarotlicht sein und eine Atomstruktur aufweisen, die zu den anderen drei Schichten der Solarzelle passt.
Es ist nicht einfach, alle diese Variablen richtig zu bestimmen und bisher mussten sich die 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 bodengestützte Messmethoden, darunter Röntgenbeugung an der Universität und Ionenstrahlanalyse am Los Alamos National Laboratory, mit maßgeschneiderten Computermodellen.
Mithilfe dieser Methode entdeckten sie, dass sich ein leicht veränderter Arsenmolekültyp besser mit dem Wismut verbindet. Sie konnten die Menge an Stickstoff und Wismut in der Mischung optimieren und so einen zusätzlichen Herstellungsschritt einsparen, den frühere Formeln erforderten. Zudem fanden sie genau die richtige Temperatur, damit sich die Elemente gleichmäßig vermischen und sicher am Substrat haften.
„‚Magie‘ ist kein Wort, das wir als Materialwissenschaftler oft verwenden“, sagt Goldman. „Aber genau so fühlte es sich an, als wir es endlich richtig hinbekommen haben.“
Dieser Fortschritt folgt unmittelbar auf eine andere Innovation aus Goldmans Labor, die den „Dotierungsprozess“ vereinfacht, mit dem die elektrischen Eigenschaften der chemischen Schichten in Galliumarsenid-Halbleitern optimiert werden.
Beim Dotieren verwenden Hersteller eine Mischung chemischer Substanzen, sogenannter „Designer-Verunreinigungen“, um die Leitfähigkeit von Halbleitern zu verändern und ihnen eine positive und negative Polarität zu verleihen, ähnlich den Elektroden einer Batterie. Die üblicherweise für Galliumarsenid-Halbleiter verwendeten Dotierstoffe sind Silizium auf der negativen und Beryllium auf der positiven Seite.
Beryllium ist problematisch – es ist giftig und etwa zehnmal teurer als Silizium-Dotierstoffe. Zudem ist Beryllium hitzeempfindlich, was die Flexibilität im Herstellungsprozess einschränkt. Das Team entdeckte jedoch, dass sich durch die Reduzierung des Arsengehalts unter bisher als akzeptabel geltende Werte die Polarität der Silizium-Dotierstoffe „umkehren“ lässt. So kann das günstigere und sicherere Element sowohl für die positive als auch für die negative Seite verwendet werden.
„Die Fähigkeit, die Polarität des Trägers zu ändern, ist so etwas wie atomare ‚Beidhändigkeit‘“, sagt Richard Field, ein ehemaliger Doktorand, der an dem Projekt mitwirkte. „Genau wie bei Menschen mit angeborener Beidhändigkeit ist es ziemlich selten, atomare Verunreinigungen mit dieser Fähigkeit zu finden.“
Zusammen könnten das verbesserte Dotierungsverfahren und die neue Legierung die Herstellung der in der Konzentrator-Photovoltaik verwendeten Halbleiter um bis zu 30 Prozent billiger machen. Dies wäre ein großer Schritt hin zur praktischen Anwendbarkeit der hocheffizienten Zellen für die Stromerzeugung im großen Maßstab.
„Im Wesentlichen ermöglicht uns dies, diese Halbleiter mit weniger Atomsprühdosen herzustellen, und jede Dose ist deutlich günstiger“, sagt Goldman. „In der Fertigung ist diese Vereinfachung von großer Bedeutung. Die neuen Legierungen und Dotierstoffe sind zudem stabiler, was den Herstellern mehr Flexibilität im Fertigungsprozess der Halbleiter bietet.“
Die neue Legierung wird in einem Artikel in der Zeitschrift Applied Physics Letters. Die National Science Foundation und das Office of Science Graduate Student Research des US-Energieministeriums haben die Forschung unterstützt.
Quelle: University of Michigan
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