Periset telah mengembangkan paduan semikonduktor jenis baru yang mampu menangkap cahaya inframerah dekat yang terletak di tepi spektrum cahaya yang terlihat.
Lebih mudah untuk memproduksi dan setidaknya 25 persen lebih murah dari formulasi sebelumnya, ini diyakini sebagai bahan paling hemat biaya di dunia yang dapat menangkap cahaya inframerah-dan kompatibel dengan semikonduktor gallium arsenide yang sering digunakan di photovoltaics konsentrator.
"Fotovoltaik konsentrator bisa memberi kekuatan pada generasi berikutnya." Photovoltaics konsentrator mengumpulkan dan memfokuskan sinar matahari ke sel surya efisiensi tinggi kecil yang terbuat dari gallium arsenide atau semikonduktor germanium. Mereka berada di jalur untuk mencapai tingkat efisiensi lebih dari 50 persen, sedangkan sel surya silikon panel datar konvensional berada di puncak di 20 pertengahan.
"Panel datar silikon pada dasarnya maksimal dalam hal efisiensi," kata Rachel Goldman, seorang profesor ilmu dan teknik material, serta fisika di University of Michigan, yang laboratoriumnya mengembangkan paduan tersebut. "Biaya silikon tidak turun dan efisiensi tidak naik. Photovoltaics konsentrator bisa memberi kekuatan pada generasi berikutnya. "
Varietas photovoltaics konsentrator ada saat ini. Mereka terbuat dari tiga paduan semikonduktor yang berbeda berlapis-lapis. Disemprotkan ke wafer semikonduktor dalam proses yang disebut epitaksi sinar molekuler - agak seperti lukisan semprot dengan elemen individu - setiap lapisan hanya beberapa mikron tebal. Lapisan menangkap berbagai bagian spektrum matahari; cahaya yang melewati satu lapisan ditangkap oleh yang berikutnya.
Tapi cahaya inframerah dekat menyelinap melalui sel-sel ini tanpa hambatan. Selama bertahun-tahun, para periset telah bekerja menuju paduan "lapisan keempat" yang sulit dipahami yang bisa diapit ke dalam sel untuk menangkap cahaya ini. Ini adalah tatanan yang tinggi; paduan harus hemat biaya, stabil, tahan lama, dan sensitif terhadap cahaya inframerah, dengan struktur atom yang sesuai dengan tiga lapisan lainnya di sel surya.
Mendapatkan semua variabel itu benar tidaklah mudah, dan sampai sekarang, peneliti telah terjebak dengan formula mahal yang menggunakan lima elemen atau lebih.
Untuk menemukan campuran yang lebih sederhana, tim Goldman merancang sebuah pendekatan baru untuk mengawasi banyak variabel dalam prosesnya. Mereka menggabungkan metode pengukuran on-the-ground termasuk difraksi sinar-X yang dilakukan di universitas dan analisis balok ion yang dilakukan di Laboratorium Nasional Los Alamos dengan pemodelan komputer custom-built.
Dengan menggunakan metode ini, mereka menemukan bahwa jenis molekul arsenik yang sedikit berbeda akan dipasangkan lebih efektif dengan bismut. Mereka mampu men-tweak jumlah nitrogen dan bismut dalam campuran, memungkinkan mereka untuk menghilangkan langkah manufaktur tambahan yang diperlukan formula sebelumnya. Dan mereka menemukan suhu yang tepat yang memungkinkan elemen-elemen tersebut mencampur dengan lancar dan menempel pada substrat dengan aman.
"'Magic' bukanlah kata yang sering kita gunakan sebagai ilmuwan material," kata Goldman. "Tapi rasanya seperti apa rasanya saat kita berhasil melakukannya dengan benar."
Kemajuan datang pada tumit inovasi lain dari lab Goldman yang menyederhanakan proses "doping" yang digunakan untuk men-tweak sifat listrik lapisan kimia pada semikonduktor gallium arsenide.
Selama doping, produsen menerapkan campuran bahan kimia yang disebut "impurities desainer" untuk mengubah bagaimana semikonduktor melakukan listrik dan memberi mereka polaritas positif dan negatif serupa dengan elektroda baterai. Agen doping yang biasanya digunakan untuk semikonduktor gallium arsenide adalah silikon di sisi negatif dan berilium di sisi positif.
Berilium adalah masalah-ini beracun dan harganya sekitar 10 kali lebih banyak daripada dopan silikon. Berilium juga sensitif terhadap panas, yang membatasi fleksibilitas selama proses pembuatannya. Tetapi tim menemukan bahwa dengan mengurangi jumlah arsenik di bawah tingkat yang sebelumnya dianggap dapat diterima, mereka dapat "membalikkan" polaritas dopan silikon, yang memungkinkan mereka menggunakan elemen yang lebih murah dan lebih aman untuk sisi positif dan negatif.
"Mampu mengubah polaritas pembawa adalah jenis 'ambidexterity atom'," kata Richard Field, mantan mahasiswa doktoral yang mengerjakan proyek tersebut. "Sama seperti orang dengan ambidexterity lahir secara alami, cukup jarang menemukan kotoran atom dengan kemampuan ini."
Bersama-sama, proses doping yang lebih baik dan paduan baru bisa membuat semikonduktor yang digunakan di photovoltaics konsentrator sebanyak 30 persen lebih murah untuk diproduksi, sebuah langkah besar untuk membuat sel efisiensi tinggi praktis untuk pembangkit listrik berskala besar.
"Intinya, ini memungkinkan kita membuat semikonduktor ini dengan kaleng semprot atom yang lebih sedikit, dan masing-masing dapat secara signifikan lebih murah," kata Goldman. "Di dunia manufaktur, penyederhanaan semacam itu sangat signifikan. Paduan dan dopan baru ini juga lebih stabil, yang memberi fleksibilitas kepada pembuat lebih banyak karena semikonduktor bergerak melalui proses pembuatannya. "
Paduan baru dirinci dalam makalah yang muncul di jurnal Applied Physics Letters. National Science Foundation dan US Department of Energy Office of Science Graduate Student Research mendukung penelitian ini.
Sumber: University of Michigan
Buku terkait:
at Pasar InnerSelf dan Amazon
