Forskare vid US Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory har visat upp en ny solcellkonstruktion som inte bara tar tillvara solens fulla ljusspektrum utan också är praktisk att tillverka genom användning av en vanlig tillverkningsteknik inom halvledarindustrin.

Solceller tillverkas av halvledare vars förmåga att reagera på ljus bestäms av deras bandgap. Olika färger har olika energier och ingen enskild halvledare har ett bandgap som kan reagera på solljusets våglängdsområde, från låg-energi infrarött, över det synliga ljusområdet, till hög-energiskt ultraviolett ljus.

Även om solceller för hela ljusspektrumet har tagits fram har hittills ingen varit lämplig för tillverkning till ett konsumentvänligt pris. Nu har Wladek Walukiewicz, som leder the Solar Energy Materials Research Group vid the Materials Sciences Division (MSD) vid U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och hans kollegor visat upp en solcell som inte bara reagerar på hela solens ljusspektrum utan också lätt kan tillverkas genom att använda en av halvledarindustrins vanligaste tillverkningstekniker.

Resultaten finns rapporterade I en nyligen utgiven utgåva av ”Physical Review Letters” på nätet.

Bakgrund och hur solcellen tas fram

– Då inget material är känsligt för alla våglängder är den bakomliggande principen för att få fram en lyckad full-spektrum solcell att kombinera olika halvledare med olika energigap, säger Walukiewicz.

Ett sätt att kombinera olika bandgap är att stacka lager av olika halvledare och koppla ihop dem seriellt. Det är principen för dagens högeffektiva solcellsteknologier som använder olika halvledarlegeringar med olika bandgap. 2002 upptäckte Walukiewicz och Kin Man Yu vid Berkeley Lab’s MSD att genom att justera mängden indium och gallium i samma legering, indium-gallium nitride, fick varje blandning till olika typer av halvledare effekten att de svarade på olika våglängder. Genom att stacka flera kristallina lager, alla matchade nära varandra och med olika indiuminnehåll, kunde de ta fram en ”fotovoltaisk” enhet som var känslig för hela solens spektrum.

Men, säger Walukiewicz, ”även när olika lager är väl matchade är strukturen fortfarande komplex – och det är även processen för att tillverka dem. Ett annat sätt att ta fram en full-spektrumcell är att göra en singel-legering med mer än ett bandgap”.

2004 tog Walukiewicz och Yu fran en legering, en kraftigt missmatchade halvledare, som baserades på en legering av zink (plus magnesium) och tellur. Genom att dopa den här legeringen med syre tillförde de ett tredje distinkt energiband mellan de två existerande – och därmed skapades tre bandgap som spann över hela solens spektrum. Tyvärr, säger Walukiewicz, ”att tillverka denna legering är komplext och tidskrävande och dessa solceller är också dyra att producera i kvantiteter.

Det nya solcellsmaterialet från Walukiewicz och Yu och deras kollegor vid Berkeley Lab’s MSD och RoseStreet Labs Energy, som arbetar med Sumika Electronics Materials i Phoenix, Arizona, är en annan multibands-halvledare som tas fram genom en mycket missmatchande legering. I det här fallet är legeringen galliumarsenid nitride som liknar blandningen i en av de mest kända halvledarna, galliumarsenik (GaAs). Genom att byta ut några av arsenidatomerna mot kväve skapas ett tredje bandgap mellan de två andra. Den goda nyheten är att legeringen kan tas fram genom metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), en av de vanligaste metoderna för att tillverka sammansatta halvledare.

Filed under: Utländsk Teknik