שילוב יסודות לא-מתאימים לפיתוח תאים סולאריים

בתגלית, שעשויה להוות צעד קדימה לפיתוח תאים סולאריים יעילים יותר, צוות מחקר בינלאומי הצליח להפריך את התיאוריה המקובלת ביותר היום להסבר ההתנהגות של קבוצת חומרים ייחודית המכונה סגסוגות בלתי-מתאימות מאוד

בתגלית, שעשויה להוות צעד קדימה לפיתוח תאים סולאריים יעילים יותר, צוות מחקר בינלאומי הצליח להפריך את התיאוריה המקובלת ביותר היום להסבר ההתנהגות של קבוצת חומרים ייחודית המכונה סגסוגות בלתי-מתאימות מאוד.

סגסוגות בלתי-מתאימות מאוד (Highly mismatched alloys), שפיתוחן מצוי עדיין בשלבי הניסויים, הינן שילובי יסודות שאינם מתמזגים יחדיו באופן טבעי באמצעות שיטות רגילות של הצמחת גבישים. פרופסור Rachel Goldman מאוניברסיטת מישיגן משווה אותן לחלב מפוסטר, שבו שמנת עתירת-שומן וחלב דל-שומן, שבאופן טבעי ייפרדו להם, מאולצים להתמזג יחדיו באמצעות לחץ גבוה.

שיטות מיזוג חדשניות, כגון: molecular beam epitaxy מאפשרות לחוקרים לשלב יסודות נפרדים. התוצאות, מציינת פרופסור גולדמן, מפתיעות יותר מאשר קבלת חלב אחיד.

"לסגסוגות בלתי-מתאימות מאוד ישנן תכונות בלתי-רגילות ביותר," מסבירה החוקרת. "מספיק להוסיף קומץ של אחד מהיסודות לקבלת שינוי חד בתכונות החשמליות והאופטיות של הסגסוגת."

תאים סולאריים ממירים את האנרגיה שמקורה בקרינת השמש לחשמל באמצעות קליטת אור. אולם, חומרים שונים קולטים אור באורכי-גל שונים. התאים הסולאריים היעילים ביותר הם אלו המורכבים ממספר חומרים שונים, אשר יחדיו מסוגלים ללכוד חלק גדול יותר מהקרינה האלקטרומגנטית שמקורה בשמש. בתאים הסולאריים הטובים ביותר הקיימים היום עדיין חסר חומר המסוגל להשתמש בחלק קרינת השמש שהוא בעל אורכי-גל בתחום התת-אדום.

צוות המחקר הכין דגימות של הסגסוגת גאליום ארסניד ניטריד – סגסוגת בלתי-מתאימה מאוד הכוללת חנקן בתוכה, אשר מסוגלת להשתמש בתחום הקרינה הבלתי מנוצל הזה. החוקרים השתמשו בשיטת molecular beam epitaxy בכדי לאלץ את החנקן להתמזג עם היסודות האחרים. השיטה כוללת נידוף דגימות טהורות של היסודות הבלתי-מתאימים ומיזוגם יחדיו בוואקום.

בשלב הבא, החוקרים מדדו את יכולתה של הסגסוגת להמיר חום לחשמל. הם רצו לקבוע באם הריכוז של 10 חלקים למיליון של חנקן ששולב בסגסוגת פוזר בצורת אטומים נפרדים או כצברי-אטומים. הם מצאו כי בחלק מהמקרים אטומי החנקן התקבצו יחדיו, וזאת בניגוד לתחזיות התיאוריה הנפוצה ביותר כיום לתיאור תהליכים אלו ("band anti-crossing").

"הראנו באופן ניסיוני כי תיאוריה זו פשטנית מדי מכדי להסביר את התכונות האלקטרוניות של סגסוגות בלתי-מתאימות מאוד," מוסיפה החוקרת. "היא אינה מסבירה מבחינה כמותית חלק מהתכונות האופטיות והאלקטרוניות היוצאות מן הכלל שלהן. לצברי-אטומים יש השפעה משמעותית על התכונות האלקטרוניות של שכבות סגסוגת."

אם חוקרים יצליחו ללמוד לשלוט ביצירה של צברים אלו, הם יוכלו להכין חומרים שיהיו יעילים יותר בהמרת אור וחום לחשמל, אומרת החוקרת.

"הזמינות של התקנים תרמו-אלקטרוניים בעלי יעילות גבוהה יותר תתרום לפיתוחן של שיטות ישימות יותר להפקת חשמל מחום בלתי-מנוצל שמתקבל בתחנות כוח ובמנועי רכבים," אומרת החוקרת. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Physical Review B.

הידיעה מהאוניברסיטה