Pesquisadores desenvolveram um novo tipo de liga de semicondutor capaz de capturar a luz infravermelha localizada na borda do espectro de luz visível.
Mais fácil de fabricar e pelo menos 25 por cento menos dispendioso do que as formulações anteriores, acredita-se ser o material mais econômico do mundo capaz de capturar luz infravermelha - e é compatível com os semicondutores de arsenieto de gálio normalmente usados em fotovoltaicos concentradores.
“A energia fotovoltaica do concentrador pode alimentar a próxima geração.” A energia fotovoltaica do concentrador coleta e concentra a luz solar em células solares pequenas e de alta eficiência, feitas de semicondutores de arsenieto de gálio ou germânio. Eles estão no caminho certo para atingir taxas de eficiência de mais de 50 por cento, enquanto as células solares de silício de painel plano convencionais estão no topo das 20s.
"O silício de tela plana é basicamente maximizado em termos de eficiência", diz Rachel Goldman, professora de ciência e engenharia de materiais e física da Universidade de Michigan, cujo laboratório desenvolveu a liga. “O custo do silício não está caindo e a eficiência não está subindo. A energia fotovoltaica do concentrador poderia alimentar a próxima geração. ”
Variedades de fotovoltaicos concentradores existem hoje. Eles são feitos de três diferentes ligas semicondutoras em camadas. Pulverizado em uma pastilha de semicondutor em um processo chamado epitaxia de feixe molecular - um pouco como pintura em spray com elementos individuais - cada camada tem apenas alguns microns de espessura. As camadas capturam diferentes partes do espectro solar; a luz que passa por uma camada é capturada pela próxima.
Mas a luz infravermelha passa por essas células despreparadas. Durante anos, os pesquisadores têm trabalhado em direção a uma liga de "quarta camada" que pode ser inserida em células para capturar essa luz. É uma tarefa difícil. a liga deve ser econômica, estável, durável e sensível à luz infravermelha, com uma estrutura atômica que corresponda às outras três camadas da célula solar.
Conseguir todas essas variáveis certas não é fácil, e até agora, os pesquisadores foram presos com fórmulas proibitivamente caras que usam cinco elementos ou mais.
Para encontrar um mix mais simples, a equipe de Goldman desenvolveu uma nova abordagem para manter o controle sobre as muitas variáveis no processo. Eles combinaram métodos de medição no solo, incluindo difração de raios X feita na universidade e análise de feixe de íons feita no Laboratório Nacional de Los Alamos com modelagem computacional customizada.
Usando esse método, eles descobriram que um tipo ligeiramente diferente de molécula de arsênio se emparelharia mais efetivamente com o bismuto. Eles foram capazes de ajustar a quantidade de nitrogênio e bismuto na mistura, permitindo que eles eliminassem uma etapa adicional de fabricação que as fórmulas anteriores exigiam. E encontraram precisamente a temperatura certa que permitiria que os elementos se misturassem suavemente e aderissem ao substrato com segurança.
"'Magia' não é uma palavra que usamos frequentemente como cientistas de materiais", diz Goldman. "Mas é como se sentiu quando finalmente acertamos."
O avanço vem na esteira de outra inovação do laboratório da Goldman, que simplifica o processo de "doping" usado para ajustar as propriedades elétricas das camadas químicas em semicondutores de arsenieto de gálio.
Durante a dopagem, os fabricantes aplicam uma mistura de substâncias químicas chamadas "impurezas projetadas" para alterar a forma como os semicondutores conduzem a eletricidade e dão polaridade positiva e negativa semelhante aos eletrodos de uma bateria. Os agentes de dopagem geralmente usados para semicondutores de arsenieto de gálio são o silício no lado negativo e o berílio no lado positivo.
O berílio é um problema - é tóxico e custa cerca de 10 mais do que dopantes de silício. O berílio também é sensível ao calor, o que limita a flexibilidade durante o processo de fabricação. Mas a equipe descobriu que, ao reduzir a quantidade de arsênico abaixo dos níveis anteriormente considerados aceitáveis, eles podem “inverter” a polaridade dos dopantes de silício, permitindo que eles usem o elemento mais barato e seguro para os lados positivo e negativo.
"Ser capaz de mudar a polaridade do transportador é como uma 'ambidestria atômica'", diz Richard Field, ex-aluno de doutorado que trabalhou no projeto. “Assim como pessoas com ambidestria naturalmente nascida, é bastante incomum encontrar impurezas atômicas com essa habilidade.”
Juntos, o processo de dopagem melhorado e a nova liga poderiam tornar os semicondutores usados em fotovoltaicos concentradores, tanto quanto 30 mais barato para produzir, um grande passo para tornar as células de alta eficiência práticas para a geração de eletricidade em larga escala.
"Essencialmente, isso nos permite fazer esses semicondutores com menos latas de spray atômicas, e cada lata é significativamente menos cara", diz Goldman. “No mundo da manufatura, esse tipo de simplificação é muito significativo. Essas novas ligas e dopantes também são mais estáveis, o que dá aos fabricantes mais flexibilidade à medida que os semicondutores passam pelo processo de fabricação. ”
A nova liga é detalhada em um papel que aparece no jornal Applied Physics Letters. A National Science Foundation e o Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Pesquisas de Estudantes de Pós-Graduação em Ciências, apoiaram a pesquisa.
Fonte: Universidade de Michigan
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