Nieoczekiwane odkrycie może przynieść pełne spektrum ogniw słonecznych


Original: http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-full-spectrum-solar-cell.html

Berkeley, Naukowcy CA w materiałach Sciences Division (MSD) z Lawrence Berkeley National Laboratory, pracy z kryształów rosnących drużyn na Cornell University i Japonii Ritsumeikan University, dowiedzieliśmy się, że pasmo wzbronione azotku indu półprzewodników nie jest 2 V (elektronów 2 eV), jak sądzono wcześniej, ale zamiast tego jest znacznie mniejsza 0,7 eV.

Nowo powstały niskie pasmo wzbronione dla azotku indu oznacza, że ​​układ z azotku galu indu stopów (IN1-xGaxN) obejmuje pełen widma słonecznego.

Serendipitous odkrycie oznacza, że ​​pojedynczy system stopów zawierających indu, galu i azot można przekonwertować praktycznie pełne spektrum światła słonecznego – od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu – ile prądu elektrycznego.

“To tak, jakby natura zaprojektowała ten materiał na celu, aby dopasować widma słonecznego,” mówi MSD w Władek Walukiewicz, który prowadził współpracowników w dokonaniu odkrycia.

Co zaczęło się jako podstawowe punkty pytań badawczych do potencjalnego praktycznego stosowania wielkiej wartości. W przypadku ogniwa słoneczne mogą być wykonane z tego stopu, obiecują być wytrzymałe, stosunkowo tanie – i najbardziej efektywne, jakie kiedykolwiek stworzono.

W poszukiwaniu lepszej efektywności

Wiele czynników ograniczyć wydajność ogniw fotowoltaicznych. Krzemu jest niskie, na przykład, ale w konwersji światła na energię elektryczną nie traci większą część energii w postaci ciepła. Najskuteczniejsze półprzewodników ogniw słonecznych są stopy wykonane z elementów z grupy III układu okresowego, takich jak glin, gal, ind, z elementami z grupy V, jak azot i arsenu.

Jednym z podstawowych ograniczeń wydajności ogniw słonecznych jest przerwa energetyczna półprzewodnika, z którego jest wykonany komórek. W ogniwa fotowoltaicznego, materiał negatywnie domieszką (n-type), z dodatkowych elektronów w jego razie pustym paśmie przewodnictwa, sprawia, że ​​się do skrzyżowania z domieszką materiału dodatnio (p-type), z dodatkowymi otworami w zespole inaczej wypełnione elektrony walencyjne. Przychodzące prawą fotonów energii – to jest właściwy kolor światła – domina elektrony luźne i zostawić otwory, zarówno migrują na skrzyżowaniu w polu elektrycznym, tworząc prąd.

Fotony z mniej energii niż przerwa energetyczna poślizgu na wylot. Na przykład, czerwone fotony światła nie są wchłaniane przez szybkie pasma wzbronionego półprzewodników. Podczas gdy fotony o energiach wyższych niż przerwa energetyczna są wchłaniane – np. niebieskie fotony światła w paśmie półprzewodników małej szczeliny – ich nadmiar energii jest marnowana w postaci ciepła.

Maksymalna wydajność ogniw słonecznych wykonana z jednego materiału, można osiągnąć w konwersji światła na energię elektryczną jest o 30 procent, w rzeczywistości osiągnąć najlepszą wydajność wynosi około 25 procent. Aby to zrobić lepiej, naukowcy i producenci stos różnych materiałów pasmo wzbronione w komórkach multijunction.

Dziesiątki różnych warstw mogą być ułożone złapać fotonów na wszystkich energii, osiągając efektywność lepiej niż 70 procent, ale zbyt wiele problemów interweniować. Przy sieciach krystalicznych różni się zbytnio, na przykład szczep szkodzi kryształy. Najskuteczniejszym multijunction słoneczna jeszcze wykonane – 30 procent, z możliwych 50 efektywności procent – ma tylko dwie warstwy.

Kuszące ołowiu

Pierwszy trop łatwiejszy i lepszy trasie nastąpił, gdy Walukiewicz i jego koledzy badali odwrotny problem – nie, jak półprzewodniki absorbują światło do tworzenia energii elektrycznej, ale w jaki sposób korzystać z energii elektrycznej emitują światło.

“Byliśmy badania właściwości azotku indu jako składnik LED”, mówi Walukiewicz. W diody elektroluminescencyjne i lasery, fotony są emitowane, gdy otwory rekombinacji z elektronów. Czerwone diody LED były znane od lat, ale dopiero w 1990, że nowa generacja szerokopasmowych diod luki pojawiły się, zdolne do promieniowania światła na niebieskim końcu spektrum.

Diody elektroluminescencyjne wykonane z azotku galu indu odbyło wskazówki do potencjalnego nowego materiału słonecznego komórki.

Nowe diody LED zostały wykonane z azotku galu indu. Z przerwa energetyczna 3,4 eV, azotek galu emituje niewidzialne światło ultrafioletowe, ale gdy niektóre galu jest wymieniany na indu, kolory takie jak fiolet, niebieski i zielony są produkowane. The Berkeley naukowcy Lab przypuszczać, że same felgi może emitować nawet dłuższe fale jeśli proporcja indu została zwiększona.

“Ale mimo azotku indu w przepaść zespół został uznany za 2 eV, nikt nie mógł się z niego światło w 2 eV,” Walukiewicz mówi. “Wszystkie nasze wysiłki nie powiodło się.”

Wcześniej pasmo wzbronione została zmierzona na próbkach utworzone przez napylanie katodowe, technikę, w której atomy składników strącony stałej docelowej przez wiązkę gorącej plazmy. Jeśli taka próba miała być zanieczyszczony jak tlen, pasmo wzbronione będzie przesunięty.

Aby uzyskać najlepsze możliwe próbki azotku indu, Berkeley Lab badacze pracowali z grupą na Cornell University pod kierownictwem Williama Schaff, znane ze swej kompetencji w epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), a także z grupą w Uniwersytecie Ritsumeikan czele Yasushi Nanishi . W MBE składniki osadzają się w postaci czystych gazów, w wysokiej próżni, w umiarkowanej temperaturze, w sterylnych warunkach.

Gdy studiował w Berkeley Lab badacze czyste kryształy te znakomicie, nie było jeszcze emisji światła na 2 eV. “Ale kiedy spojrzał na niższym pasmo wzbronione, nagle było wiele światła” Walukiewicz mówi.

Kolaboranci szybko ustalono, że stop jest band-gap width zwiększa płynnie i ciągle jako przesunięcie proporcji z indu ku galu, aż – po objęte każdą część widma słonecznego – osiągnie ugruntowaną wartość 3,4 eV w prosty galu azotku.

Obiecujące znaki

Na pierwszy rzut oka, azotku galu i indu nie oczywistym wyborem dla ogniw słonecznych jest. Jego kryształy są usiane wad, setki milionów, czy nawet dziesiątki miliardów na centymetr kwadratowy. Zazwyczaj wady zniszczyć właściwości optyczne półprzewodników, zatrzymując nośników ładunku i rozpraszania ich energii w postaci ciepła.

Studiując diody, jednak Berkeley Lab badacze odkryli, że sposób łączy się z indu w stopie galu indu pozostawia bogate stężenia, że ​​wyjątkowo, emitujących światło skutecznie. Taka wada tolerancji w diody LED posiada obecnie nadzieje na podobny występ w ogniwach słonecznych.

Aby wykorzystać stopu w prawie doskonałą korespondencję do widma światła słonecznego wymaga komórkę multijunction z warstw o ​​różnym składzie. Walukiewicz wyjaśnia, że ​​”dopasowanie kraty jest zazwyczaj zabójcy” w komórkach multijunction, “ale tutaj. Materiały te mogą pomieścić bardzo duże rozbieżności kraty bez istotnego wpływu na ich właściwości optoelektronicznych.”

Dwie warstwy azotku galu, indu jednego dostrojony do szczeliny paśmie 1,7 eV, a drugi do 1,1 eV, można osiągnąć teoretyczną 50 procent maksymalnej wydajności na dwuwarstwową multijunction komórki. (Obecnie żadne materiały z tych luk zespołu mogą być uprawiane razem.) Lub z bardzo wielu warstw jedynie niewielkie różnice w ich szczelinach zespołu mogą być ułożone zbliżyć się do maksymalnej teoretycznej wydajności lepiej niż 70 procent.

To okaże się, gdy P-Type wersja indu azotku galu odpowiedniej do ogniw słonecznych może być wykonane. Również tutaj sukces diod wykonanych z tego samego stopu daje nadzieję. Szereg innych parametrów, również pozostaje do rozstrzygnięcia, jak, jak daleko nośniki ładunku mogą podróżować w materiale przed wchłaniany jest.

Azotku galu i indu zaletami jest wiele. Ma olbrzymią pojemność cieplną i, podobnie jak inne grupy azotków III, jest bardzo odporne na promieniowanie. Właściwości te są idealne do słonecznej tablic satelitów komunikacyjnych energetycznych i kosmicznych innych. Ale co z kosztami?

“Jeśli to działa, koszty powinny być na tej samej wielkości jak światłach,” Walukiewicz mówi. “Może mniej.” Ogniwa słoneczne, tak skuteczne i tak stosunkowo tanie może zrewolucjonizować wykorzystanie energii słonecznej nie tylko w przestrzeni, ale na Ziemi.

Berkeley Lab jest US Department of Energy krajowego laboratorium znajduje się w Berkeley w Kalifornii. Prowadzi jawne badania naukowe i jest zarządzany przez University of California.

Dodatkowe informacje

  • Badania indu azotku galu odnotowano również w “nadzwyczajne właściwości podstawowego przerwa energetyczna Inn,” przez Wu, Walukiewicz, Yu, Ager, Haller, LU, Schaff, Yoshiki Saito i Yasushi Nanishi Applied Physics Letters, 27 maja 2002, w “Mały pasmo wzbronione kłaniając w In1-xGaxN stopów,” przez Wu, Walukiewicz, Yu, Ager, Haller, Lu i Schaff, Applied Physics Letters, 24 czerwca 2002 roku.