Fotovoltaik fra enhver halvleder

En teknologi, der vil muliggøre lave omkostninger, højeffektive solceller, der skal fremstilles af stort set ethvert halvledermateriale, er blevet udviklet af forskere med US Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley. Denne teknologi åbner døren til brugen af ​​rigelige, relativt billige halvledere, såsom de lovende metaloxider, sulfider og phosphider, som er blevet anset for uegnede til solceller, fordi det er så svært at skræddersy deres egenskaber med kemiske midler.

"Det er på tide, at vi bruger dårlige materialer til god brug, " siger fysiker Alex Zettl, der ledede denne forskning sammen med kollega Feng Wang. "Vores teknologi giver os mulighed for at omgå vanskeligheden med kemisk at skræddersy mange jordrige, ikke-giftige halvledere og i stedet skræddersy disse materialer blot ved at anvende et elektrisk felt."

Zettl, som har fælles aftaler med Berkeley Lab's Materials Sciences Division og UC Berkeley's Physics Department, hvor han leder Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS), er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde i tidsskriftet Nano bogstaver . Avisen har titlen "Screening-

Engineered Field-Effect Solar Cells." Medforfatter til det var William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena og Feng Wang.

Solceller omdanner sollys til elektricitet ved hjælp af halvledermaterialer, der udviser den fotovoltaiske effekt - hvilket betyder, at de absorberer fotoner og frigiver elektroner, der kan kanaliseres til en elektrisk strøm. Solceller er den ultimative kilde til ren, grøn og vedvarende energi, men nutidens teknologier anvender relativt sparsomme og dyre halvledere, såsom store krystaller af silicium, eller tynde film af cadmiumtellurid eller kobberindiumgalliumselenid som er vanskelige eller dyre at fremstille til enheder.

"Solteknologier står i dag over for en afvejning mellem omkostninger og effektivitet, der har bremset den udbredte implementering, " siger Zettl. "Vores teknologi reducerer omkostningerne og kompleksiteten ved fremstilling af solceller og giver derved, hvad der kunne være et vigtigt omkostningseffektivt og miljøvenligt alternativ, der ville accelerere brugen af ​​solenergi."

Denne nye teknologi kaldes "screening-engineered field-effect photovoltaics, " eller SFPV, fordi det udnytter den elektriske felteffekt, et velforstået fænomen, hvorved koncentrationen af ​​ladningsbærere i en halvleder ændres ved påføring af et elektrisk felt. Med SFPV-teknologien, en omhyggeligt designet delvist afskærmende topelektrode lader det elektriske gatefelt trænge tilstrækkeligt ind i elektroden og modulere halvlederbærerkoncentrationen og typen mere ensartet for at inducere en p-n-forbindelse. Dette muliggør skabelsen af ​​højkvalitets pn-forbindelser i halvledere, som er vanskelige, hvis ikke umulige, at dope med konventionelle kemiske metoder.

"Vores teknologi kræver kun elektrode- og portafsætning, uden behov for højtemperatur kemisk doping, ionimplantation, eller andre dyre eller skadelige processer, " siger hovedforfatter William Regan. "Nøglen til vores succes er den minimale screening af gate-feltet, som opnås gennem geometrisk strukturering af topelektroden. Dette gør det muligt, at elektrisk kontakt til og bærebølgemodulering af halvlederen kan udføres samtidigt."

Under SFPV-systemet, topelektrodens arkitektur er struktureret således, at mindst én af elektrodens dimensioner er begrænset. I én konfiguration, arbejde med kobberoxid, Berkeley-forskerne formede elektrodekontakten til smalle fingre; i en anden konfiguration, arbejder med silicium, de gjorde topkontakten ultratynd (enkeltlagsgrafen) hen over overfladen. Med tilstrækkeligt smalle fingre, gatefeltet skaber et lav elektrisk modstand inversionslag mellem fingrene og en potentiel barriere under dem. En ensartet tynd topkontakt tillader gatefelter at trænge ind og udtømme/invertere den underliggende halvleder. Resultaterne i begge konfigurationer er p-n-kryds af høj kvalitet.

Siger medforfatter Feng Wang, "Vores demonstrationer viser, at en stabil, elektrisk kontaktet pn-forbindelse kan opnås med næsten enhver halvleder og ethvert elektrodemateriale gennem påføring af et gatefelt, forudsat at elektroden er passende geometrisk struktureret."

Forskerne demonstrerede også SFPV-effekten i en selvportende konfiguration, hvor porten blev drevet internt af selve cellens elektriske aktivitet.

"Den selvportende konfiguration eliminerer behovet for en ekstern gate-strømkilde, som vil forenkle den praktiske implementering af SFPV-enheder, " siger Regan. "Desuden, porten kan tjene en dobbelt rolle som antirefleksbelægning, en funktion, der allerede er almindelig og nødvendig for højeffektiv fotovoltaik."