I banebrydende metode til at skabe solmateriale, NREL-forskere beviser, at det umulige virkelig ikke er

Forskere ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) opnåede et teknologisk gennembrud for solceller, som man tidligere troede var umuligt.

Forskerne integrerede med succes en aluminiumskilde i deres hydriddampfaseepitaksi (HVPE) reaktor, demonstrerede derefter væksten af ​​halvlederne aluminium indium phosphid (AlInP) og aluminium gallium indium phosphid (AlGaInP) for første gang ved denne teknik.

"Der er en anstændig mængde litteratur, der tyder på, at folk aldrig ville være i stand til at dyrke disse forbindelser med hydriddampfase-epitaksi, sagde Kevin Schulte, en videnskabsmand i NREL's Materials Applications &Performance Center og hovedforfatter af et nyt papir, der fremhæver forskningen. "Det er en af ​​grundene til, at meget af III-V-industrien har gået med metalorganisk dampfase-epitaksi (MOVPE), som er den dominerende III-V vækstteknik. Denne innovation ændrer tingene."

Artiklen, "Vækst af AlGaAs, AlInP, og AlGaInP af Hydride Vapor Phase Epitaxy, " står i journalen ACS Applied Energy Materials .

III-V solceller - så navngivet på grund af den position, materialerne falder på det periodiske system - bruges almindeligvis i rumapplikationer. Kendt for høj effektivitet, disse typer celler er for dyre til jordbaseret brug, men forskere udvikler teknikker til at reducere disse omkostninger.

En metode, der blev banebrydende ved NREL, er afhængig af en ny vækstteknik kaldet dynamisk hydriddampfase-epitaksi, eller D-HVPE. Traditionel HVPE, som i årtier blev betragtet som den bedste teknik til fremstilling af lysdioder og fotodetektorer til telekommunikationsindustrien, faldt i unåde i 1980'erne med fremkomsten af ​​MOVPE. Begge processer involverer aflejring af kemiske dampe på et substrat, men fordelen tilhørte MOVPE på grund af dens evne til at danne pludselige heterogrænseflader mellem to forskellige halvledermaterialer, et sted, hvor HVPE traditionelt kæmpede.

Det er ændret med fremkomsten af ​​D-HVPE.

Prøve III-V solceller dyrket ved hjælp af HVPE Prøve aluminium III-V solceller, dyrket ved hjælp af HVPE, er vist som Alx(Ga1-x)0.5In0.5P tynde film efter fjernelse af GaAs-substratet bundet til et glashåndtag til transmissionsmålinger. Forskellen i farve skyldes forskellen i sammensætningen af ​​Al og Ga. Specifikt, de gule prøver er AlInP (ingen Ga) og de orange prøver er AlGaInP. Foto af Dennis Schroeder, NREL

Den tidligere version af HVPE brugte et enkelt kammer, hvor et kemikalie blev aflejret på et substrat, som så blev fjernet. Vækstkemien blev derefter byttet til en anden, og substratet returneres til kammeret til den næste kemiske påføring. D-HVPE er afhængig af en flerkammerreaktor. Substratet bevæger sig frem og tilbage mellem kamrene, reducerer tiden til at lave en solcelle kraftigt. En solcelle med enkelt kryds, der tager en time eller to at lave ved hjælp af MOVPE, kan potentielt produceres på under et minut af D-HVPE. På trods af disse fremskridt, MOVPE havde stadig en anden fordel:evnen til at afsætte aluminiumholdige materialer med bred båndgab, der muliggør den højeste solcelleeffektivitet. HVPE har længe kæmpet med væksten af ​​disse materialer på grund af vanskeligheder med den kemiske natur af den sædvanlige aluminiumholdige precursor, aluminium monochlorid.

Forskerne har altid planlagt at introducere aluminium i D-HVPE, men først fokuserede deres indsats på at validere vækstteknikken.

"Vi har forsøgt at flytte teknologien frem i trin i stedet for at prøve at gøre det hele på én gang, " sagde Schulte. "Vi validerede, at vi kan dyrke materialer af høj kvalitet. Vi validerede, at vi kan dyrke mere komplekse enheder. Det næste skridt for teknologien til at komme videre er aluminium."

Schultes medforfattere fra NREL er Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling, og Aaron J. Ptak. De omfatter også tre videnskabsmænd fra et firma i North Carolina, Kyma Technologies. Virksomheden udviklede en metode til at fremstille et unikt aluminiumholdigt molekyle, som derefter kunne strømme ind i D-HVPE-kammeret.

Forskerne brugte en aluminiumtrichloridgenerator, som blev opvarmet til 400 grader Celsius for at generere et aluminiumtrichlorid fra fast aluminium og hydrogenchloridgas. Aluminiumtrichlorid er meget mere stabilt i HVPE-reaktormiljøet end monochloridformen. De andre komponenter - galliumchlorid og indiumchlorid - blev fordampet ved 800 grader Celsius. De tre elementer blev kombineret og aflejret på et substrat ved 650 grader Celsius.

Ved at bruge D-HVPE, NREL-forskere var tidligere i stand til at lave solceller fra galliumarsenid (GaAs) og galliumindiumphosphid (GaInP). I disse celler, GaInP bruges som "vindueslaget, " som passiverer frontfladen og tillader sollys at nå GaAs-absorberlaget nedenunder, hvor fotonerne omdannes til elektricitet. Dette lag skal være så gennemsigtigt som muligt, men GaInP er ikke så gennemsigtigt som aluminium-indiumphosphid (AlInP), der bruges i MOVPE-dyrkede solceller. Den nuværende verdenseffektivitetsrekord for MOVPE-dyrkede GaAs-solceller, der inkorporerer AlInP vindueslag, er 29,1 %. Med kun GaInP, den maksimale virkningsgrad for HVPE-dyrkede solceller anslås til kun at være 27 %.

Nu hvor aluminium er blevet tilføjet til blandingen af ​​D-HVPE, forskerne sagde, at de skulle være i stand til at nå paritet med solceller fremstillet via MOVPE.

"HVPE-processen er en billigere proces, " sagde Ptak, en seniorforsker i NREL's National Center for Photovoltaics. "Nu har vi vist en vej til den samme effektivitet, som er den samme som de andre fyre, men med en billigere teknik. Før, vi var noget mindre effektive, men billigere. Nu er der mulighed for at være præcis lige så effektiv og billigere."