En teknik som skulle möjliggöra låg kostnad, högeffektiva solceller som ska tillverkas av praktiskt taget vilket halvledarmaterial som helst har utvecklats av forskare med U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley. Denna teknik öppnar dörren till användningen av rikligt, relativt billiga halvledare, som de lovande metalloxiderna, sulfider och fosfider, som har ansetts olämpliga för solceller eftersom det är så svårt att skräddarsy deras egenskaper med kemiska medel.

"Det är dags att vi använder dåligt material på bästa sätt, " säger fysiker Alex Zettl, som ledde denna forskning tillsammans med kollegan Feng Wang. "Vår teknik gör det möjligt för oss att kringgå svårigheten att kemiskt skräddarsy många jordar i överflöd, giftfria halvledare och istället skräddarsy dessa material helt enkelt genom att applicera ett elektriskt fält."

Zettl, som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning där han leder Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS), är motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete i tidskriften Nanobokstäver . Tidningen har titeln "Screening-

Engineered Field-Effect Solar Cells." Medförfattare till det var William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena och Feng Wang.

Solceller omvandlar solljus till elektricitet med hjälp av halvledarmaterial som uppvisar den fotovoltaiska effekten - vilket innebär att de absorberar fotoner och frigör elektroner som kan kanaliseras till en elektrisk ström. Solceller är den ultimata källan till ren, grön och förnybar energi men dagens teknologier använder relativt få och dyra halvledare, som stora kristaller av kisel, eller tunna filmer av kadmiumtellurid eller kopparindiumgalliumselenid, som är svåra eller dyra att tillverka till enheter.

"Solteknik står idag inför en kostnadseffektiv kompromiss som har bromsat utbredd implementering, " säger Zettl. "Vår teknik minskar kostnaden och komplexiteten för att tillverka solceller och tillhandahåller därmed vad som kan vara ett viktigt kostnadseffektivt och miljövänligt alternativ som skulle påskynda användningen av solenergi."

Denna nya teknik kallas "screening-engineered field-effect photovoltaics, " eller SFPV, eftersom den använder den elektriska fälteffekten, ett välförstått fenomen genom vilket koncentrationen av laddningsbärare i en halvledare förändras genom applicering av ett elektriskt fält. Med SFPV-tekniken, en noggrant utformad, delvis skärmande toppelektrod låter det elektriska fältet i grinden tillräckligt penetrera elektroden och mer enhetligt modulera halvledarbärarkoncentrationen och typen för att inducera en p-n-övergång. Detta möjliggör skapandet av högkvalitativa p-n-övergångar i halvledare som är svåra om inte omöjliga att dopa med konventionella kemiska metoder.

"Vår teknik kräver endast elektrod- och grindavsättning, utan behov av kemisk dopning vid hög temperatur, jonimplantation, eller andra dyra eller skadliga processer, " säger huvudförfattaren William Regan. "Nyckeln till vår framgång är den minimala skärmningen av gatefältet som uppnås genom geometrisk strukturering av den övre elektroden. Detta gör det möjligt för elektrisk kontakt till och bärarmodulering av halvledaren att utföras samtidigt."

Under SFPV-systemet, arkitekturen hos den övre elektroden är strukturerad så att åtminstone en av elektrodens dimensioner är begränsad. I en konfiguration, arbeta med kopparoxid, Berkeley-forskarna formade elektrodkontakten till smala fingrar; i en annan konfiguration, arbeta med kisel, de gjorde den övre kontakten ultratunn (enkellagers grafen) över ytan. Med tillräckligt smala fingrar, grindfältet skapar ett inversionsskikt med lågt elektriskt motstånd mellan fingrarna och en potentiell barriär under dem. En jämnt tunn toppkontakt tillåter gate-fält att penetrera och tömma/invertera den underliggande halvledaren. Resultaten i båda konfigurationerna är högkvalitativa p-n-övergångar.

Säger medförfattaren Feng Wang, "Våra demonstrationer visar att ett stabilt, elektriskt kontaktad p-n-övergång kan uppnås med nästan vilken halvledare och vilket elektrodmaterial som helst genom applicering av ett grindfält förutsatt att elektroden är lämpligt geometriskt strukturerad."

Forskarna visade också SFPV-effekten i en självporterande konfiguration, där porten drevs internt av själva cellens elektriska aktivitet.

"Den självportande konfigurationen eliminerar behovet av en extern grindströmkälla, vilket kommer att förenkla den praktiska implementeringen av SFPV-enheter, " säger Regan. "Dessutom, grinden kan tjäna en dubbel roll som antireflexbeläggning, en funktion som redan är vanlig och nödvändig för högeffektiv solcellsanläggning."