Speciale legeringen voor de opwekking van thermo-elektriciteit

Zonne-energie kan in de toekomst een belangrijke energiebron worden. Fotovoltaïsche cellen zijn interessant omdat het een hernieuwbare energiebron is en omdat het bouwen van de infrastructuur geen gigantisch grote investeringen vereist in vergelijking met de andere energiebronnen. Ook kan zonne-energie op nagenoeg alle plaatsen op de wereld ingezet worden. Er is wel nog een obstakel voor zonne-energie, namelijk de technologie is relatief duur in vergelijking met de andere energiebronnen. Hierdoor kan het enkel concurreren met de andere energiebronnen op plaatsen waar de zon veel en sterk schijnt zoals in woestijnen en dergelijke. Op de huidige energiemarkt is zonne-energie enkel commercieel interessant indien er maatregelen genomen zijn door de overheid zoals subsidies of dergelijke. Veel onderzoek wordt vandaag de dag uitgevoerd om de kostprijs van fotovoltaïsche cellen naar beneden te halen. Men kan dit doen op twee verschillende manieren, door andere fotovoltaïsche cellen te ontwikkelen waarvan de kostprijs lager is. Of door het rendement van de fotovoltaïsche cellen te vergroten zodat ze meer elektriciteit gaan produceren.

Een internationaal team wetenschappers, onder leiding van Rachel Goldman, ontdekten een manier die het rendement van zonnecellen sterk zou kunnen vergroten. Dit zou gedaan kunnen worden door gebruikt te maken van een unieke soort materialen, namelijk de 'Highly Mismatched Alloys' (HMA's) of letterlijk vertaald 'sterk ongeschikt overeenkomende legeringen. HMA's bestaan nog niet erg lang en de ontwikkeling ervan bevindt zich nog steeds in experimentele fase. HMA's bestaan uit elementen die normaal gezien, van nature uit, niet samen zouden gaan wanneer de conventionele kristalgroei of kristallisatie technieken gebruikt worden. Kristallisatie is een ordeningsproces waarbij een vaste fase of dus een kristal ontstaat.

HMA's zijn in zekere mate, het best te vergelijken met gehomogeniseerde melk. Het proces homogeniseren is in het algemeen bedoeld om meer gelijke deeltjesgrootte te krijgen en dus een meer homogeen mengsel van substanties. Bij melk houdt dit dus in dat de vette bestanddelen van melk en de waterige bestanddelen tot een emulsie worden gemengd. Een emulsie is de scheikundige naam voor een mengsel die bestaat uit twee niet mengbare vloeistoffen die onder normale omstandigheden geen stabiel en homogeen mengsel vormen. Het homogeniseren van melk wordt gedaan door de melk bij verhoogde temperatuur en druk door een zeef met zeer kleine gaatjes te persen zodat kleinere vetbolletjes ontstaan.

HMA's zijn gelijkaardig behalve dan dat het gaat om vaste stoffen. Het mengen van de afzonderlijke elementen gebeurt via een speciale nieuwe techniek, namelijk 'molecular beam epitaxy'. Dit is een zeer complexe techniek die de twee te mengen elementen in een zeer zuivere toestand vereist. Deze twee elementen worden apart opgewarmd op een speciale manier zodat ze gaan sublimeren. Sublimatie is de directe overgang van een stof uit vaste fase naar een gasvormige fase, en dus de vloeibare fase overgeslagen wordt. De twee stoffen worden dan in gasvormige fase samengebracht op een wafer in een vacuüm, een dun plak mono-kristallijn halfgeleidermateriaal. Op de wafer gaan ze allebei condenseren en gaan ze een reactie met elkaar aangaan. Tijdens deze reactie wordt er een kristal gevormd dat bestaat uit beide elementen. Er moeten dan nog wel speciale technieken gebruikt worden om de groei van deze kristallen te sturen. Deze highly mismatched alloys hebben vrij ongewone eigenschappen en door een ander materiaal toe te voegen, slechts in een zeer kleine hoeveelheid, kunnen de elektrische of/en optische eigenschappen al drastisch doen veranderen.

Fotovoltaïsche zonnecellen zetten dus energie van zon direct om in elektriciteit door het zonlicht te absorberen. Maar, verschillende materialen absorberen enkel licht met bepaalde golflengte. De beste fotovoltaïsche, die vandaag de dag bestaan, zijn opgebouwd uit meerdere materialen. Elk absorberen ze lichtstralen met andere golflengtes. En dus samen kunnen ze een groter deel van de elektromagnetische straling van de zon absorberen en omzetten in elektriciteit. Maar zelfs de beste zonnecellen zijn momenteel nog steeds niet in staat om de infrarood stralen van de zon om te zetten in elektriciteit, dit doordat ze de materialen missen waarmee dit mogelijk is.

Deze materialen maken gebruik van het thermo-elektrisch effect en specifiek het Seebeck-effect bij het omzetten van warmtestralen in elektriciteit ook wel thermo-elektriciteit genoemd. Het Seebeck-effect is de directe omzetting van een temperatuurverschil in een elektrische spanning op het grensvlak tussen twee verschillende metalen of halfgeleiders. Hier bevindt het grensvlak zich dan tussen de twee materialen die men gebruikt als halfgeleiders voor de fotovoltaïsche cel. Dit effect wordt onder andere ook gebruikt bij thermo-koppels, die men gebruikt bij temperatuurmetingen. 

Dit team wetenschappers hebben een HMA gemaakt van gallium-arsenide-nitride waarbij het besprenkeld werd met een zeer kleine hoeveelheid stikstof. De onderzoekers hebben dan verschillende testen uitgevoerd op te bepalen in welke mate deze nieuwe legering in staat is om ook de infrarood stralen van de zon ofwel de warmtestralen te gaan absorberen en om te zetten in elektriciteit. En men wou ook controleren of dat de stikstofatomen werden verspreid als individuele atomen of als clusters in de legering. Ze stelden vast dat in sommige gevallen de stikstof atomen samen groepeert waren. Dit is namelijk volledig in tegenstelling tot wat het model ("band anti-crossing model") voorspelde. Dit model werd tot nu toe steeds gebruikt wordt om het gedrag van HMA's te verklaren. Dus in feite hebben deze wetenschappers experimenteel aangetoond dat het model te simpel is om de elektronische eigenschappen van HMA's te verklaren. Deze samen-geclusterde atomen hebben een grote invloed op de elektronische eigenschappen van de legering.

Dus de onderzoekers zullen het gedrag van deze legeringen beter gaan bestuderen zodat het model aangepast kan worden. Dit zou dan uiteindelijk moeten toelaten om de vorming van samen-geclusterd atomen gecontroleerd te laten verlopen. Indien dit mogelijk is, kunnen er materialen geproduceerd worden die op een veel efficiëntere manier de zonnestralen, inclusief de infrarood stralen, kunnen omzetten in elektrische stroom. En wanneer de infrarood stralen ofwel de warmtestralen van de zonlicht op een zeer efficiënte manier kunnen omgezet worden in een elektrische stroom, dan kunnen deze legeringen ook gebruikt worden om elektriciteit te gaan produceren van restwarmte, zoals bijvoorbeeld bij elektriciteitscentrales of verbrandingsmotoren.

via [ns.umich]