Prielom umožňuje vyrobiť lacné solárne články z ľubovoľného polovodiča

Anonim

Prielom umožňuje vyrobiť lacné solárne články z ľubovoľného polovodiča

veda

Brian Dodson

3. augusta 2012

3 obrázky

Nová technika umožňuje výrobu fotovoltaických solárnych článkov pomocou akéhokoľvek polovodiča (Photo: Shutterstock)

Napriek ich schopnosti vytvárať čistú, ekologickú elektrickú energiu, solárne panely nie sú také bežné, ako by mohli byť. Hlavným bodom, samozrejme, je cena. Vďaka svojej potrebe relatívne drahých polovodičových materiálov tradičné solárne články ešte nemajú kombináciu cien a efektívnosti, ktoré môžu konkurovať iným zdrojom elektrickej energie. Teraz Profs. Alex Zettl a Feng Wang z Lawrence Berkeley National Laboratory a University of California v Berkeley vyvinuli vážne nekonvenčné technológie solárnych článkov, ktoré umožňujú prakticky akýkoľvek polovodičový materiál použiť na vytváranie fotovoltaických článkov.

Solárne články fungujú podľa týchto krokov. Po prvé, slnečné svetlo zasiahne solárny článok a je absorbované polovodičom, z ktorého je solárny článok vyrobený. V procese absorpcie sa elektróny uvoľňujú z ich atómov, čo im umožňuje pretekať cez polovodič. Prítomnosť pn križovatky pôsobí ako dióda, ktorá umožňuje len pohyb elektrónov jedným smerom. (Elektróny a otvory sa pohybujú v opačných smeroch, ale elektrický prúd sa pohybuje len v jednom.) Kovové elektródy potom prenášajú svetlo generovaný elektrónový prúd do elektrického obvodu na použitie. Pn junction je rozhranie medzi oblasťou polovodiča, kde sú dominantné nosiče náboja diery a oblasť, kde nosiče sú elektróny.

Ako funguje solárna jednotka (obrázok: Brian Dodson)

Konvenčný solárny článok je vyrobený z tenkej plátky polovodiča s kovovou elektródou uloženou na jeho zadnej strane. Strana smerujúca k zdroju svetla je leštená jemnejšie ako akákoľvek optická šošovka, vyčistená na atómovú úroveň a potom sú na prednú stranu usadené dopujúce atómy, potom sa celá oblátka umiestni do vysokoteplotnej difúznej pece.

Účelom dopantu je zmena dominantného nosiča náboja v polovodiči z bohatého na dieru na bohatý na elektróny alebo vv. V tomto procese sa vytvorí spojenie pn, ktoré premieňa dopadajúce svetlo na tok elektrónov. Po rozptýlení sa oplátka opäť vyčistí a na prednej ploche sa pestuje kovová elektróda pomocou arkánskych rituálov, aby sa zabezpečil ohmický kontakt s aktívnym polovodičovým materiálom. (Ohmický kontakt je elektrický kontakt, ktorý spĺňa Ohmov zákon, nemá žiadne rektifikačné alebo diódové vlastnosti.)

Efektívnosť konvenčných solárnych článkov je tiež obmedzená polovodičovými materiálmi, ktoré sú vhodné na výrobu solárnych článkov určitým aproximáciou vyššie uvedeného spôsobu. Musí byť možné, aby dominantný nábojový nosič polovodiča mohol byť zmenený medzi p (otvormi) a n (elektrónovým) -dominovaným vedením zavedením chemických dopovaných látok, aby sa vytvoril dobre fungujúci pn spoj. Musí byť tiež možné vytvoriť uspokojivý elektrický kontakt medzi elektródami a polovodičom.

Existuje veľa polovodičových materiálov s optickými vlastnosťami a elektronickými pásmovými medzerami vhodnými na premenu svetla na elektrickú energiu, pre ktorú zlyháva jedno alebo druhé z dosť rigidných kritérií pre výrobu konvenčných solárnych článkov. Patria k nim mnohé oxidy kovov, sulfidy a fosfidy, ktoré sú bohaté a lacné, ale boli považované za nevhodné, pretože je tak ťažké zmeniť ich elektronickú štruktúru chemicky (napr. Prostredníctvom dopingu). Napríklad oxid zinočnatý je polovodič, ktorý je vhodný na zachytávanie fialového a blízkeho ultrafialového svetla, ktorý je plýtvaný väčšinou bežných solárnych článkov.

Teraz máme Zettlove a Wangove nekonvenčné solárne články. Rozbité drahé časti tvorby pravidelných solárnych článkov sú polovodičové plátky, tvoria vysoko kvalitné pn spojenie pod povrchom oblátky a vytvárajú ohmický elektrický kontakt s prednou a zadnou časťou oblátky. Okrem poskytovania polovodičových plátkov (zvyčajne lacnejšieho materiálu) nové solárne články nevyžadujú žiadnu z týchto možností.

Nová technológia sa nazýva "projekčná projekčná fotovoltaika" (SFPV). Elektróda je uložená na prednej strane polovodičovej oblátky, ktorá čiastočne prechádza polovodič z elektrického poľa vytvoreného medzi prednou a zadnou elektródou. Predpokladajme, že polovodič je prirodzene p-typu, takže má prebytok otvorov. Použité elektrické pole potom mierne preniká do povrchu polovodiča, priťahuje elektróny smerom k povrchu a odpudzuje otvory. V dôsledku toho sa polovodič v blízkosti povrchu mení z p-typu na n-typ (bohatý na elektróny) a vznikla pochovaná pn križovatka - nie chemikáliou, ale použitím starostlivo prispôsobených elektrických polí. Zvláštnym bonusom je, že predná elektróda automaticky vytvára ohmický kontakt s polovodičovou doskou.

"Naša technológia si vyžaduje iba ukladanie elektród a brán, bez potreby chemického dopingu pri vysokej teplote, implantácie iónov alebo iných drahých alebo poškodzujúcich procesov, " povedal vedúci autor článku, ktorý opisuje novú technológiu William Regan. "Kľúčom k nášmu úspechu je minimálne skríning brány, ktorý je dosiahnutý geometrickým usporiadaním hornej elektródy. Umožňuje súčasne vykonať elektrický kontakt a moduláciu nosiča polovodiča. "

Dva prístupy k navrhovaniu skríningových vlastností elektród SFPV - prstové elektródy na ľavej strane, grafénové elektródy vpravo

Dve konfigurácie elektród, ktoré vykazujú koncept SFPV, boli vyvinuté. Jedna elektróda, ktorá je v kontakte s polovodičovou oblátkou, je vytvorená z radu úzkych prstov, zatiaľ čo v druhom je čiastočné preosievanie uskutočnené umiestnením vrstvy grafénu na polovicu oblátky. V obidvoch prípadoch sa vytvárajú vysoko kvalitné pn križovatky v polovodičoch, pre ktoré táto štruktúra bola predtým nemožná.

Nízkonákladové, vysoko účinné solárne články? Znie to tu ako víťaz - nechajme vidieť, kedy a ak dopadne na trh.

Tímový výskum je zverejnený v časopise Nano Letters .

Zdroj: Národné laboratórium Lawrence Berkeley

Dva prístupy k navrhovaniu skríningových vlastností elektród SFPV - prstové elektródy na ľavej strane, grafénové elektródy vpravo

Ako funguje solárna jednotka (obrázok: Brian Dodson)

Nová technika umožňuje výrobu fotovoltaických solárnych článkov pomocou akéhokoľvek polovodiča (Photo: Shutterstock)