研究人員開發出一種新型半導體合金，能夠捕獲位於可見光譜邊緣的近紅外光。

它比以前的配方更容易製造，成本至少降低25％，它被認為是世界上最具成本效益的材料，能夠捕獲近紅外光，並且與聚光光伏中常用的砷化鎵半導體兼容。

“集中器光伏發電可以為下一代提供動力。”聚光光伏發電公司將太陽光聚集並聚焦到由砷化鎵或鍺半導體製成的小型高效太陽能電池上。 他們有望實現超過50百分比的效率，而傳統的平板矽太陽能電池在20中期達到頂峰。

“平板矽在效率方面基本上是最大化的，”材料科學與工程教授，密歇根大學物理系教授Rachel Goldman說，他的實驗室開發了這種合金。 “矽的成本不會下降，效率也不會上升。 集中器光伏發電可以為下一代提供動力。“

目前存在各種聚光光伏器件。 它們由三種不同的半導體合金製成。 在一個稱為分子束外延的過程中噴塗到半導體晶片上 - 有點像噴塗有單個元素 - 每層只有幾微米厚。 這些層捕獲太陽光譜的不同部分; 通過一層的光被下一個捕獲。

但近紅外光無法通過這些細胞。 多年來，研究人員一直在研究一種難以捉摸的“第四層”合金，它可以夾在細胞中捕捉這種光。 這是一個很高的要求; 該合金必須具有成本效益，穩定，耐用並且對紅外光敏感，其原子結構與太陽能電池中的其他三層相匹配。

獲得所有這些變量並不容易，直到現在，研究人員仍然堅持使用五種或更多元素的昂貴公式。

為了找到一個更簡單的組合，高盛的團隊設計了一種新穎的方法來密切關注過程中的許多變量。 他們結合了實地測量方法，包括在大學完成的X射線衍射和在洛斯阿拉莫斯國家實驗室完成的離子束分析，以及定制的計算機建模。

使用這種方法，他們發現一種稍微不同類型的砷分子會更有效地與鉍配對。 他們能夠調整混合物中氮和鉍的含量，使他們能夠消除以前配方所需的額外製造步驟。 他們發現恰當的溫度使元件能夠平穩地混合併牢固地粘在基板上。

“'魔術'不是我們經常用作材料科學家的詞，”戈德曼說。 “但這就是我們最終做對的時候的感受。”

這一進展緊隨高盛實驗室的另一項創新，該實驗簡化了用於調整砷化鎵半導體化學層電性能的“摻雜”過程。

在使用興奮劑期間，製造商應用稱為“設計雜質”的混合物來改變半導體如何導電並賦予它們與電池電極類似的正極性和負極性。 通常用於砷化鎵半導體的摻雜劑是負極側的矽和正極側的鈹。

鈹是一個問題 - 它有毒，其成本比矽摻雜劑高出約10倍。 鈹也對熱敏感，這限制了製造過程中的靈活性。 但該團隊發現，通過將砷的含量降低到以前認為可接受的水平以下，他們可以“翻轉”矽摻雜劑的極性，使他們能夠為正面和負面使用更便宜，更安全的元素。

“能夠改變載體的極性有點像原子的'雙手'，”負責該項目的前博士生理查德菲爾德說。 “就像那些有著天生雙性的人一樣，用這種能力找到原子雜質是相當罕見的。”

總之，改進的摻雜工藝和新合金可以使聚光光伏器件中使用的半導體生產成本降低30％，這是使高效電池適用於大規模發電的重要一步。

“從本質上講，這使我們能夠用更少的原子噴霧罐製造這些半導體，並且每個罐子的成本都要低得多，”高曼說。 “在製造業中，這種簡化非常重要。 這些新合金和摻雜劑也更穩定，這使得製造商在半導體製造過程中更具靈活性。“

這種新合金在期刊中出現的論文中有詳細說明 應用物理快報。 美國國家科學基金會和美國能源部科學研究生研究生支持這項研究。

資源： 密歇根大學

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