Een technologie die goedkope, hoogrenderende zonnecellen die van vrijwel elk halfgeleidermateriaal kunnen worden gemaakt, zijn ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en Berkeley van de University of California (UC). Deze technologie opent de deur naar het gebruik van overvloedige, relatief goedkope halfgeleiders, zoals de veelbelovende metaaloxiden, sulfiden en fosfiden, die ongeschikt werden geacht voor zonnecellen omdat het zo moeilijk is om hun eigenschappen met chemische middelen op maat te maken.

"Het wordt tijd dat we slechte materialen goed gebruiken, " zegt natuurkundige Alex Zettl, die samen met collega Feng Wang dit onderzoek leidde. "Onze technologie stelt ons in staat om de moeilijkheid te omzeilen om veel aarde in overvloed chemisch op maat te maken, niet-giftige halfgeleiders en in plaats daarvan deze materialen op maat maken door simpelweg een elektrisch veld aan te leggen."

Zettl, die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, waar hij leiding geeft aan het Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS), is de corresponderende auteur van een paper waarin dit werk in het tijdschrift wordt beschreven Nano-letters . Het papier is getiteld "Screening-

Engineered Field-Effect Solar Cells." Co-auteur was William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena en Feng Wang.

Zonnecellen zetten zonlicht om in elektriciteit met behulp van halfgeleidermaterialen die het fotovoltaïsche effect vertonen - wat betekent dat ze fotonen absorberen en elektronen vrijgeven die in een elektrische stroom kunnen worden geleid. Fotovoltaïsche energie is de ultieme bron van schone, groene en hernieuwbare energie, maar de huidige technologieën maken gebruik van relatief schaarse en dure halfgeleiders, zoals grote kristallen van silicium, of dunne films van cadmiumtelluride of koper-indium-galliumselenide, die lastig of duur zijn om in apparaten te fabriceren.

"Zonnetechnologieën worden tegenwoordig geconfronteerd met een afweging tussen kosten en efficiëntie die de wijdverbreide implementatie heeft vertraagd, "Zettl. "Onze technologie vermindert de kosten en complexiteit van het fabriceren van zonnecellen en biedt daardoor wat een belangrijk kosteneffectief en milieuvriendelijk alternatief zou kunnen zijn dat het gebruik van zonne-energie zou versnellen."

Deze nieuwe technologie heet "screening-engineered field-effect photovoltaics, " of SFPV, omdat het gebruik maakt van het elektrische veldeffect, een goed begrepen fenomeen waarbij de concentratie van ladingsdragers in een halfgeleider wordt veranderd door het aanleggen van een elektrisch veld. Met de SFPV-technologie, een zorgvuldig ontworpen, gedeeltelijk afgeschermde bovenelektrode laat het elektrische poortveld voldoende doordringen in de elektrode en moduleert de halfgeleiderdragerconcentratie en het type gelijkmatiger om een ​​pn-overgang te induceren. Dit maakt het mogelijk om pn-overgangen van hoge kwaliteit te creëren in halfgeleiders die moeilijk, zo niet onmogelijk te doteren zijn met conventionele chemische methoden.

"Onze technologie vereist alleen afzetting van elektroden en poorten, zonder de noodzaak van chemische doping op hoge temperatuur, ionen implantatie, of andere dure of schadelijke processen, " zegt hoofdauteur William Regan. "De sleutel tot ons succes is de minimale afscherming van het poortveld die wordt bereikt door geometrische structurering van de bovenste elektrode. Dit maakt het mogelijk om gelijktijdig elektrisch contact met en draaggolfmodulatie van de halfgeleider uit te voeren."

Onder het SFPV-systeem, de architectuur van de bovenste elektrode is zo gestructureerd dat ten minste één van de afmetingen van de elektrode beperkt is. In één configuratie, werken met koperoxide, de Berkeley-onderzoekers vormden het elektrodecontact in smalle vingers; in een andere configuratie, werken met silicium, ze maakten het bovenste contact ultradun (enkellaags grafeen) over het oppervlak. Met voldoende smalle vingers, het poortveld creëert een inversielaag met lage elektrische weerstand tussen de vingers en een potentiaalbarrière eronder. Een uniform dun topcontact zorgt ervoor dat poortvelden de onderliggende halfgeleider kunnen binnendringen en uitputten/omkeren. De resultaten in beide configuraties zijn pn-overgangen van hoge kwaliteit.

Zegt co-auteur Feng Wang, "Onze demonstraties laten zien dat een stabiele, elektrisch gecontacteerde pn-overgang kan worden bereikt met bijna elke halfgeleider en elk elektrodemateriaal door de toepassing van een poortveld, op voorwaarde dat de elektrode op de juiste manier geometrisch gestructureerd is."

De onderzoekers toonden ook het SFPV-effect aan in een self-gating configuratie, waarin de poort intern werd aangedreven door de elektrische activiteit van de cel zelf.

"De self-gating configuratie elimineert de noodzaak van een externe poortstroombron, die de praktische implementatie van SFPV-apparaten zal vereenvoudigen, " zegt Regan. "Bovendien, de poort kan een dubbele rol vervullen als antireflectiecoating, een functie die al gebruikelijk en noodzakelijk is voor fotovoltaïsche energie met hoog rendement."