Breaking News

Monday, December 23, 2019

Dalam metode terobosan pembuatan bahan surya, para ilmuwan membuktikan bahwa yang mustahil sebenarnya tidak



Para ilmuwan di National Renewable Energy Laboratory (NREL) mencapai terobosan teknologi untuk sel surya yang sebelumnya dianggap mustahil.

Para ilmuwan berhasil mengintegrasikan sumber aluminium ke dalam reaktor epitaksi fase uap hidrida (HVPE) mereka, kemudian menunjukkan pertumbuhan semikonduktor aluminium indium fosfida (AlInP) dan aluminium gallium indium fosfida (AlGaInP) untuk pertama kalinya dengan teknik ini.

"Ada banyak literatur yang menunjukkan bahwa orang tidak akan pernah bisa menumbuhkan senyawa ini dengan epitaxy fase uap hidrida," kata Kevin Schulte, seorang ilmuwan di Material Applications & Performance Center NREL dan penulis utama sebuah makalah baru yang menyoroti penelitian. "Itulah salah satu alasan mengapa banyak industri III-V menggunakan epitaxy fase uap metalorganik (MOVPE), yang merupakan teknik pertumbuhan III-V yang dominan. Inovasi ini mengubah banyak hal."

Artikel, "Pertumbuhan AlGaAs, AlInP, dan AlGaInP oleh Hydride Vapor Phase Epitaxy," muncul dalam jurnal ACS Applied Energy Materials.

Sel surya III-V - dinamakan demikian karena posisi bahan jatuh pada tabel periodik - umumnya digunakan dalam aplikasi luar angkasa. Terkenal karena efisiensi tinggi, sel-sel jenis ini terlalu mahal untuk penggunaan terestrial, tetapi para peneliti mengembangkan teknik untuk mengurangi biaya tersebut.

Salah satu metode yang dipelopori di NREL bergantung pada teknik pertumbuhan baru yang disebut epitaksi fase hidrida dinamis hidrida, atau D-HVPE. HVPE tradisional, yang selama puluhan tahun dianggap sebagai teknik terbaik untuk produksi dioda dan fotodetektor pemancar cahaya untuk industri telekomunikasi, tidak disukai pada 1980-an dengan munculnya MOVPE. Kedua proses melibatkan penyimpanan uap kimia ke dalam substrat, tetapi keuntungan dimiliki MOVPE karena kemampuannya untuk membentuk permukaan heterointer yang tiba-tiba antara dua bahan semikonduktor yang berbeda, tempat di mana HVPE berjuang secara tradisional.

Itu berubah dengan munculnya D-HVPE.

Sampel sel surya III-V yang ditumbuhkan menggunakan HVPE Sampel sel surya aluminium III-V, yang ditumbuhkan menggunakan HVPE, ditunjukkan sebagai film tipis Alx (Ga1-x) 0,5In0.5P setelah melepas substrat GaAs yang terikat pada pegangan kaca untuk pengukuran transmisi. Perbedaan warna ini disebabkan oleh perbedaan komposisi Al dan Ga.Secara khusus, sampel kuning adalah AlInP (no Ga) dan sampel oranye adalah AlGaInP. Foto oleh Dennis Schroeder, NREL

Versi sebelumnya dari HVPE menggunakan ruang tunggal di mana satu bahan kimia diendapkan pada substrat, yang kemudian dihilangkan. Kimia pertumbuhan kemudian ditukar dengan yang lain, dan substrat kembali ke ruang untuk aplikasi kimia berikutnya. D-HVPE mengandalkan reaktor multi-bilik. Substrat bergerak bolak-balik antara ruang, sangat mengurangi waktu untuk membuat sel surya. Sel surya persimpangan tunggal yang membutuhkan satu atau dua jam untuk menggunakan MOVPE berpotensi diproduksi dalam waktu kurang dari satu menit oleh D-HVPE. Terlepas dari kemajuan ini, MOVPE masih memiliki keunggulan lain: kemampuan untuk mendepositokan pita lebar yang mengandung bahan aluminium yang memungkinkan efisiensi sel surya tertinggi. HVPE telah lama berjuang dengan pertumbuhan bahan-bahan ini karena kesulitan dengan sifat kimia dari prekursor yang mengandung aluminium, aluminium monochloride.

Para peneliti selalu berencana untuk memperkenalkan aluminium ke dalam D-HVPE, tetapi pertama-tama memfokuskan upaya mereka pada validasi teknik pertumbuhan.

"Kami telah mencoba untuk memajukan teknologi dalam beberapa langkah alih-alih mencoba melakukan semuanya sekaligus," kata Schulte. "Kami memvalidasi bahwa kami dapat menumbuhkan bahan berkualitas tinggi. Kami memvalidasi bahwa kami dapat menumbuhkan perangkat yang lebih kompleks. Langkah selanjutnya sekarang untuk teknologi untuk bergerak maju adalah aluminium."

Rekan penulis Schulte dari NREL adalah Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling, dan Aaron J. Ptak. Mereka juga memasukkan tiga ilmuwan dari perusahaan Carolina Utara, Kyma Technologies. Perusahaan mengembangkan metode untuk menghasilkan molekul unik yang mengandung aluminium, yang kemudian dapat dialirkan ke ruang D-HVPE.

Para ilmuwan menggunakan generator aluminium triklorida, yang dipanaskan hingga 400 derajat Celcius untuk menghasilkan aluminium triklorida dari aluminium padat dan gas hidrogen klorida. Aluminium triklorida jauh lebih stabil di lingkungan reaktor HVPE daripada bentuk monoklorida. Komponen lainnya - gallium chloride dan indium chloride - diuapkan pada 800 derajat Celcius. Tiga elemen digabungkan dan disimpan di atas substrat pada 650 derajat Celcius.

Menggunakan D-HVPE, para ilmuwan NREL sebelumnya mampu membuat sel surya dari gallium arsenide (GaAs) dan gallium indium phosphide (GaInP). Dalam sel-sel ini, GaInP digunakan sebagai "lapisan jendela," yang pasif permukaan depan dan memungkinkan sinar matahari untuk mencapai lapisan penyerap GaA di bawah di mana foton dikonversi menjadi listrik. Lapisan ini harus setransparan mungkin, tetapi GaInP tidak setransparan aluminium indium phosphide (AlInP) yang digunakan dalam sel surya yang dikembangkan MOVPE. Rekor efisiensi dunia saat ini untuk sel surya GaA yang dikembangkan MOVPE yang menggabungkan lapisan jendela AlInP adalah 29,1%. Dengan hanya GaInP, efisiensi maksimum untuk sel surya yang tumbuh-HVPE diperkirakan hanya 27%.

Sekarang aluminium telah ditambahkan ke campuran D-HVPE, para ilmuwan mengatakan mereka harus dapat mencapai paritas dengan sel surya yang dibuat melalui MOVPE.

"Proses HVPE adalah proses yang lebih murah," kata Ptak, seorang ilmuwan senior di Pusat Nasional Fotovoltaik NREL. "Sekarang kita telah menunjukkan jalur menuju efisiensi yang sama dengan yang lain, tetapi dengan teknik yang lebih murah. Sebelumnya, kita agak kurang efisien tetapi lebih murah. Sekarang ada kemungkinan untuk menjadi sama efisien dan lebih murah."

Kantor Teknologi Energi Matahari Kantor Departemen Energi AS mendanai penelitian D-HVPE.

No comments:

Post a Comment

Popular Posts