Efficient exploitation of the sun with intermediate band gap in silicon carbide

Dagens kommersielle solceller er stort sett basert på rent silisium. Den teoretiske grensen til effektiviteten av slike celler er rundt 30 prosent. I SunSiC benyttes et prinsipp som øker den teoretiske maks-ytelsen til over 60 prosent. Utgangspunktet er et materiale som består av billige og vanlige grunnstoffer: silisiumkarbid (SiC). I prinsippet kan solceller basert på SiC bli minst like billige som Si-baserte. Det finnes allerede produsenter av store mengder SiC til mange forskjellige anvendelser, alt fra slipemidler til lysdioder. SiC finnes i mange forskjellige polytyper (med forskjellig krystallstruktur). I SunSiC benyttes en spesiell polytype: kubisk (3C) SiC. Dette har meget gunstige egenskaper, men har tidligere ikke vært mulig å produsere i høy nok kvalitet. Dette ble nylig løst av en gruppe forskere ved Universitetet i Linköping i Sverige. Denne gruppen er med i SunSiC som eksterne partnere, og leverer 3C-SiC til de norske partnerne. SINTEF og UiO har i dette prosjektet forsøkt å lage et mellomliggende bånd i SiC; det er dette prinsippet som kan føre til dramatisk økt effektivitet. Mekanismen består i at langt flere fotoner bidrar til å lage strøm: Effekten av det mellomliggende båndet blir at ett og samme materiale kan ha tre forskjellige båndgap. Dersom dette lykkes, vil en langt større del av lyset utnyttes enn det silisiumbaserte solceller klarer. Båndet har blitt laget ved å tilsette små mengder fremmedstoff i utgangsmaterialet (å dope det). Vi har fått flere serier med SiC fra Saint Gobain som råmateriale, og Universitetet i Linköping har levert en lang rekke prøver med 3C-SiC basert på deres sublimasjonsprosess. De har oppnådd svært høy kvalitet i noen av disse prøvene, noe som er essensielt for solcelleformål. For å oppnå et mellomliggende bånd, har prøvene blitt implantert med bor i varierende konsentrasjon. Prøvene har blitt karakterisert med en rekke teknikker for å optimere prosesseringsparameterne. Vi har observert flere tegn til mellomliggende bånd i de beste prøvene, både fra absorpsjons- og emisjonsmålinger. Atomskalaberegninger har blitt brukt til å forstå disse egenskapene, og har blitt brukt til å forutsi andre mulige dopanter med høy løselighet og evne til å danne mellomliggende bånd. Resultatene har blitt publisert i internasjonale tidsskrifter og har blitt presentert på internasjonale konferanser. Neste steg på veien mot ultrahøye effektiviteter er å optimere materialkvalitet og prosessparametere videre. Det er søkt om midler til å forlenge arbeidet i en slik retning.

The SunSiC project aims to demonstrate that it is possible to generate an intermediate band (IB) in cubic SiC. Such an electronic band would transform the large band gap semiconductor SiC into a multiple (three) band gap semiconductor without introduction of multiple junctions or quantum dots. The theoretical efficiency of IB photovoltaics is more than 60%, and the processing is potentially quite easy and cheap. If this concept is proven in stage 1 of the project, the second stage will focus on optimizing important material properties, particularly the life time of charge carriers. The project idea is based on a new synthesis process at Linköping University, where large single crystals of cubic SiC can be produced for the first time. We will have access t o this material in the project, and thus have the possibility to search for IB behavior at a very early stage. The material obtained from our collaborating partners will be doped using ion implantation, and a variety of characterization and modeling tools will be used to identify an IB and to establish the connection between processing parameters, detailed structural and electronic materials properties and the potential of using SiC with IB as a new solar cell technology.