研究人员开发出一种新型半导体合金，能够捕获位于可见光谱边缘的近红外光。

这种材料比以前的配方更容易制造，成本至少降低 25%，据信是世界上最具成本效益的近红外光捕获材料，并且与聚光光伏电池中常用的砷化镓半导体兼容。

“聚光光伏技术有望为下一代提供动力。”聚光光伏技术能够收集并聚焦阳光，照射到由砷化镓或锗半导体制成的小型高效太阳能电池上。其效率有望超过50%，而传统的平板硅太阳能电池的效率最高仅为20%左右。

“平板硅太阳能电池板的效率基本上已经达到极限了，”密歇根大学材料科学与工程以及物理学教授瑞秋·戈德曼说道，她的实验室开发了这种合金。“硅的成本不会下降，效率也不会提高。聚光光伏技术或许能为下一代提供动力。”

如今存在多种聚光光伏电池。它们由三种不同的半导体合金层叠而成。这些合金通过一种称为分子束外延的工艺喷涂到半导体晶片上——有点像用单个元素进行喷漆——每一层只有几微米厚。这些层捕获太阳光谱的不同部分；穿过一层的光会被下一层捕获。

但近红外光却无法被有效利用，从而穿过这些电池。多年来，研究人员一直在努力寻找一种难以捉摸的“第四层”合金，这种合金可以夹在电池内部以捕获近红外光。这并非易事；这种合金必须经济高效、稳定耐用、对红外光敏感，并且其原子结构还要与太阳能电池中的其他三层相匹配。

要正确计算所有这些变量并不容易，而且到目前为止，研究人员一直只能使用成本极其高昂的公式，这些公式需要五个或更多元素。

为了找到更简单的混合方案，高盛的团队设计了一种新颖的方法来监控过程中的众多变量。他们将实地测量方法（包括大学进行的X射线衍射和洛斯阿拉莫斯国家实验室进行的离子束分析）与定制的计算机模型相结合。

利用这种方法，他们发现一种略有不同的砷分子能与铋更有效地结合。他们调整了混合物中氮和铋的含量，从而省去了之前配方中所需的额外生产步骤。此外，他们还找到了合适的温度，使各种元素能够充分混合并牢固地粘附在基材上。

“作为材料科学家，我们很少用‘魔法’这个词，”戈德曼说。“但当我们最终成功时，那种感觉就像魔法一样。”

这项进展紧随高盛实验室的另一项创新之后，该创新简化了用于调整砷化镓半导体中化学层电性能的“掺杂”过程。

在掺杂过程中，制造商会添加一种被称为“定制杂质”的化学物质混合物，以改变半导体的导电方式，并赋予其类似于电池电极的正负极性。通常用于砷化镓半导体的掺杂剂是负极的硅和正极的铍。

铍是个问题——它有毒，而且价格比硅掺杂剂贵大约10倍。铍对热也很敏感，这限制了制造过程中的灵活性。但研究团队发现，通过将砷的含量降低到之前认为可接受的水平以下，他们可以“翻转”硅掺杂剂的极性，从而使这种更便宜、更安全的元素同时用于正负极。

“能够改变载体的极性有点像原子的‘左右手都能灵活运用’，”曾参与该项目的博士生理查德·菲尔德说。“就像天生左右手都能灵活运用的人一样，具有这种能力的原子杂质也相当罕见。”

改进的掺杂工艺和新型合金相结合，可使聚光光伏电池中使用的半导体的生产成本降低 30%，这是使高效电池能够大规模发电的一大步。

“从本质上讲，这使我们能够用更少的原子喷涂罐来制造这些半导体，而且每个喷涂罐的成本也显著降低，”高盛说道。“在制造业领域，这种简化意义重大。这些新型合金和掺杂剂也更加稳定，这使得制造商在半导体制造过程中拥有更大的灵活性。”

这种新型合金的详细介绍已发表在期刊的一篇论文中。 应用物理快报国家科学基金会和美国能源部科学办公室研究生科研项目为这项研究提供了支持。

来源: 密歇根大学

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