Dankzij de doorbraak kunnen goedkope zonnecellen worden gefabriceerd van elke halfgeleider

Anonim

Dankzij de doorbraak kunnen goedkope zonnecellen worden gefabriceerd van elke halfgeleider

Wetenschap

Brian Dodson

3 augustus 2012

3 afbeeldingen

Een nieuwe techniek maakt het mogelijk fotovoltaïsche zonnecellen te produceren met behulp van een halfgeleider (Photo: Shutterstock)

Ondanks hun vermogen om schone, groene elektriciteit te genereren, zijn zonnepanelen niet zo alledaags als het zou kunnen zijn. Het belangrijkste knelpunt is natuurlijk de prijs. Vanwege hun behoefte aan relatief dure halfgeleidermaterialen hebben conventionele zonnecellen nog geen prijsefficiëntiecombinatie die kan concurreren met andere bronnen van elektriciteit. Nu Profs. Alex Zettl en Feng Wang van het nationale laboratorium Lawrence Berkeley en de University of California in Berkeley hebben een serieus onconventionele zonneceltechnologie ontwikkeld waarmee vrijwel elk halfgeleidermateriaal kan worden gebruikt om fotovoltaïsche cellen te maken.

Een zonnecel werkt volgens deze stappen. Ten eerste raakt zonlicht de zonnecel en wordt het geabsorbeerd door de halfgeleider waaruit de zonnecel is gemaakt. In het absorptieproces worden elektronen bevrijd van hun atomen, waardoor ze door de halfgeleider kunnen stromen. De aanwezigheid van een pn-overgang werkt als een diode, waardoor de elektronen alleen in één richting kunnen bewegen. (Elektronen en gaten bewegen in tegengestelde richtingen, maar de elektrische stroom beweegt slechts in één.) Metaalelektroden brengen de licht-gegenereerde elektronenstroom vervolgens over naar een elektrisch circuit voor gebruik. Een pn-overgang is de interface tussen een gebied van de halfgeleider waar de dominante ladingsdragers gaten zijn en een gebied waar de dragers elektronen zijn.

Hoe een zonnecel werkt (Afbeelding: Brian Dodson)

Een conventionele zonnecel is gemaakt van een dunne wafer van een halfgeleider met een metalen elektrode die op de achterkant is afgezet. De zijde tegenover de lichtbron is fijner gepolijst dan enige optische lens, schoongemaakt tot op atomair niveau, en dan worden doteringsatomen op de voorzijde afgezet, waarna de gehele wafer in een hoge temperatuur diffusieoven wordt geplaatst.

Het doel van een doteermiddel is om de dominante ladingdrager in de halfgeleider te veranderen van gat-rijk naar elektronenrijk, of vv. In dit proces wordt de pn-overgang gevormd die invallend licht omzet in een stroom van elektronen. Na diffusie wordt de wafer opnieuw gereinigd en wordt een metalen elektrode op het vooroppervlak gegroeid met behulp van geheimzinnige rituelen om een ​​ohms contact met het actieve halfgeleidermateriaal te verzekeren. (Een ohms contact is een elektrisch contact dat voldoet aan de wet van Ohm en geen gelijkrichtende of diode-achtige eigenschappen heeft.)

De efficiëntie van conventionele zonnecellen wordt ook beperkt door de halfgeleidende materialen die geschikt zijn voor de vervaardiging van zonnecellen door enige benadering van het bovenstaande proces. Het moet mogelijk zijn dat de dominante ladingsdrager van de halfgeleider wordt veranderd tussen p (gat) en n (elektron) gedomineerde geleiding door introductie van chemische doteermiddelen, zodat een goed opgevoede pn-overgang wordt gevormd. Het moet ook mogelijk zijn om een ​​bevredigend elektrisch contact te maken tussen de elektroden en de halfgeleider.

Er zijn veel halfgeleidermaterialen met optische eigenschappen en elektronische band-spleten die goed geschikt zijn voor de omzetting van licht in elektriciteit waarvoor een van de vrij rigide criteria voor de productie van conventionele zonnecellen faalt. Deze omvatten vele metaaloxiden, sulfiden en fosfiden, die overvloedig en goedkoop zijn, maar zijn ongeschikt geacht omdat het zo moeilijk is om hun elektronische structuur chemisch te veranderen (bijvoorbeeld door middel van doping). Zinkoxide is bijvoorbeeld een halfgeleider die goed geschikt is voor het invangen van violet en bijna ultraviolet licht, dat wordt verspild door de meeste conventionele zonnecellen.

We hebben nu de onconventionele zonnecellen van Zettl en Wang. Uitgesplitst zijn de dure onderdelen van het maken van reguliere zonnecellen de halfgeleiderwafer, die een hoogwaardige pn-junctie vormt onder het oppervlak van de wafer en ohm elektrisch contact maakt met de voor- en achterkant van de wafer. Afgezien van het leveren van een halfgeleiderwafer (meestal van een goedkoper materiaal), hebben de nieuwe zonnecellen dit niet nodig.

De nieuwe technologie wordt "screening-engineered field-effect photovoltaics " (SFPV) genoemd. Een elektrode wordt afgezet op de voorzijde van de halfgeleiderplak, die de halfgeleider gedeeltelijk afschermt van een elektrisch veld dat wordt gegenereerd tussen de voor- en achterelektroden. Stel dat de halfgeleider van nature van het p-type is, zodat deze een overmaat aan gaten heeft. Het aangelegde elektrische veld penetreert vervolgens enigszins in het halfgeleideroppervlak, waardoor elektronen naar het oppervlak worden getrokken en gaten worden afgestoten. Als gevolg hiervan verandert de halfgeleider in de buurt van het oppervlak van p-type naar n-type (elektronrijk) en is een begraven pn-overgang gegenereerd - niet door chemie, maar door gebruik te maken van zorgvuldig op maat gemaakte elektrische velden. Een extra bonus is dat de frontelektrode automatisch een ohms contact maakt met de halfgeleiderwafer.

"Onze technologie vereist alleen elektrode- en poortafzetting, zonder de noodzaak van chemische doping bij hoge temperaturen, ionenimplantatie of andere dure of schadelijke processen, " zei hoofdauteur van een artikel over de nieuwe technologie, William Regan. "De sleutel tot ons succes is de minimale afscherming van het poortveld, die wordt bereikt door geometrische structurering van de topelektrode. Dit maakt het mogelijk dat gelijktijdig elektrisch contact met en draaggolfmodulatie van de halfgeleider wordt uitgevoerd. "

Twee benaderingen voor het engineeren van de afschermingseigenschappen van SFPV-elektroden - gevingerste elektroden aan de linkerkant, grafeenelektroden aan de rechterkant

Twee elektrodeconfiguraties met het SFPV-concept zijn ontwikkeld. In één, wordt de elektrode in contact met de halfgeleiderplak gevormd uit een rij smalle vingers, terwijl in de andere de gedeeltelijke afscherming wordt bereikt door een laag grafeen bovenop de halfgeleiderplak te plaatsen. In beide gevallen worden hoogwaardige pn-overgangen gevormd in halfgeleiders waarvoor deze structuur voorheen onmogelijk was.

Goedkope, hoogrenderende zonnecellen? Klinkt als een winnaar hier - laten we eens kijken wanneer en of het de markt raakt.

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters .

Bron: Lawrence Berkeley National Laboratory

Twee benaderingen voor het engineeren van de afschermingseigenschappen van SFPV-elektroden - gevingerste elektroden aan de linkerkant, grafeenelektroden aan de rechterkant

Hoe een zonnecel werkt (Afbeelding: Brian Dodson)

Een nieuwe techniek maakt het mogelijk fotovoltaïsche zonnecellen te produceren met behulp van een halfgeleider (Photo: Shutterstock)