En lo que podría ser un gran paso adelante para una nueva generación de células solares llamadas "concentradores fotovoltaicos", los investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado una nueva aleación de semiconductores que puede capturar la luz infrarroja cercana ubicada en el borde delantero de la luz visibleespectro.
Más fácil de fabricar y al menos un 25 por ciento menos costoso que las formulaciones anteriores, se cree que es el material más rentable del mundo que puede capturar la luz del infrarrojo cercano, y es compatible con los semiconductores de arseniuro de galio que a menudo se usan en concentradores fotovoltaicos.
La energía fotovoltaica del concentrador reúne y enfoca la luz solar en pequeñas células solares de alta eficiencia hechas de arseniuro de galio o semiconductores de germanio. Están en camino de alcanzar tasas de eficiencia de más del 50 por ciento, mientras que las células solares de silicio de panel plano convencionales superan enmediados de los 20
"El silicio de panel plano está básicamente maximizado en términos de eficiencia", dijo Rachel Goldman, profesora de ciencia e ingeniería de materiales y física de la UM, cuyo laboratorio desarrolló la aleación. "El costo del silicio no está bajando y la eficienciano sube. La energía fotovoltaica del concentrador podría alimentar a la próxima generación ".
Las variedades fotovoltaicas concentradoras existen hoy en día. Están hechas de tres diferentes aleaciones de semiconductores en capas juntas. Rociadas sobre una oblea de semiconductores en un proceso llamado epitaxia de haz molecular, un poco como la pintura con elementos individuales, cada capa es solo unade pocos micrones de espesor. Las capas capturan diferentes partes del espectro solar; la luz que atraviesa una capa es capturada por la siguiente.
Pero la luz del infrarrojo cercano se desliza a través de estas celdas desarmadas. Durante años, los investigadores han estado trabajando hacia una elusiva aleación de "cuarta capa" que podría intercalarse en las células para capturar esta luz. Es una tarea difícil; la aleación debe ser costosa.eficaz, estable, duradero y sensible a la luz infrarroja, con una estructura atómica que coincide con las otras tres capas de la célula solar.
Acertar con todas esas variables no es fácil, y hasta ahora, los investigadores se han quedado con fórmulas prohibitivamente caras que usan cinco elementos o más
Para encontrar una mezcla más simple, el equipo de Goldman ideó un enfoque novedoso para controlar las numerosas variables en el proceso. Combinaron métodos de medición sobre el terreno, incluida la difracción de rayos X realizada en la UM y el análisis del haz de iones realizado en Los AlamosLaboratorio nacional con modelado por computadora personalizado.
Usando este método, descubrieron que un tipo de molécula de arsénico ligeramente diferente se emparejaría más efectivamente con el bismuto. Pudieron ajustar la cantidad de nitrógeno y bismuto en la mezcla, permitiéndoles eliminar un paso de fabricación adicional que las fórmulas anterioresy encontraron exactamente la temperatura correcta que permitiría que los elementos se mezclen suavemente y se adhieran al sustrato de forma segura.
"'Magia' no es una palabra que usamos a menudo como científicos de materiales", dijo Goldman. "Pero así es como se sintió cuando finalmente lo entendimos".
El avance viene de la mano de otra innovación del laboratorio de Goldman que simplifica el proceso de "dopaje" utilizado para modificar las propiedades eléctricas de las capas químicas en los semiconductores de arseniuro de galio. Durante el dopaje, los fabricantes aplican una mezcla de químicos llamados "impurezas de diseño"para cambiar la forma en que los semiconductores conducen la electricidad y darles una polaridad positiva y negativa similar a los electrodos de una batería. Los agentes de dopaje generalmente utilizados para los semiconductores de arseniuro de galio son silicio en el lado negativo y berilio en el lado positivo.
El berilio es un problema: es tóxico y cuesta aproximadamente 10 veces más que los dopantes de silicio. El berilio también es sensible al calor, lo que limita la flexibilidad durante el proceso de fabricación. Pero el equipo de UM descubrió eso al reducir la cantidad de arsénico por debajoniveles que anteriormente se consideraban aceptables, pueden "voltear" la polaridad de los dopantes de silicio, lo que les permite utilizar el elemento más barato y seguro para los lados positivo y negativo.
"Ser capaz de cambiar la polaridad del transportista es algo así como una 'ambidestreza atómica'", dijo Richard Field, un ex estudiante de doctorado de la UM que trabajó en el proyecto. "Al igual que las personas con ambidestreza nacida naturalmente, es bastante raro queencontrar impurezas atómicas con esta habilidad "
Juntos, el proceso de dopaje mejorado y la nueva aleación podrían hacer que los semiconductores utilizados en concentradores fotovoltaicos sean hasta un 30 por ciento más baratos de producir, un gran paso para hacer que las células de alta eficiencia sean prácticas para la generación de electricidad a gran escala.
"Esencialmente, esto nos permite fabricar estos semiconductores con menos latas de atomización atómica, y cada lata es significativamente menos costosa", dijo Goldman. "En el mundo de la fabricación, ese tipo de simplificación es muy significativo. Estas nuevas aleaciones y dopantes sontambién más estable, lo que brinda a los fabricantes más flexibilidad a medida que los semiconductores se mueven a través del proceso de fabricación ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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