미시간 대학의 연구팀은 집중형 광전지(concentrator photovoltaics)라고 불리는 차세대 태양 전지를 위한 스펙트럼의 근적외선을 흡수할 수 있는 새로운 반도체 합금을 개발했다.

이 합금은 제조 공정이 쉽고, 기존보다 25 % 이상 저렴하며, 근적외선을 흡수할 수 있는 세계에서 가장 경제적인 재료로 알려져 있으며, 집중형 광전지에서 사용되는 갈륨 비소 반도체와 호환된다.

집중형 광전지는 갈륨 비소 또는 게르마늄 반도체로 만들어지며, 빛을 모아 집중시킨다.

집중형 광전지는 3 개의 서로 다른 반도체 합금으로 이루어지며, 분자빔 에피택시(molecular-beam epitaxy) 공정을 이용하여 반도체 웨이퍼 상에 형성된다. 이때, 각 레이어는 단지 몇 마이크론 두께이다. 한 층은 태양 스펙트럼의 다른 부분을 흡수하고, 그 층을 통과하는 빛은 다음 층에 의해 흡수된다.

그러나, 근적외선 빛은 이러한 광전지를 빠져 나간다. 수년 동안 연구팀은 이 빛을 흡수하기 위해 제 4 합금층을 연구해 왔다. 이 합금은 광전지의 다른 세 층과 일치하는 원자 구조로 적외선에 민감하고 저렴하며 안정적이고 내구성이 있으며 민감해야 한다.

연구팀은 X-선 회절과 맞춤형 컴퓨터 모델링을 이용하여 이온빔 분석을 포함한 현장 측정 방법으로 다른 종류의 비소 분자와 비스무트가 더 효과적으로 합금되는 것을 발견했다. 질소와 비스무트의 혼합 양을 조절할 수 있었기 때문에 추가 제조 단계를 없앨 수 있었고, 원소가 부드럽게 섞이면서 기판에 단단히 붙을 수 있는 정확한 온도를 발견했다.

또한, 갈륨 아세나이드 반도체의 화학층의 전기적 특성을 조절하는데 사용되는 도핑 공정을 단순화시킨다. 도핑하는 동안 반도체의 전기 전도 방식을 변경하고 배터리의 전극과 비슷한 양극성과 음극성을 부여하기 위해 화학 물질을 혼합하여 사용한다. 갈륨 아세나이드 반도체에 일반적으로 사용되는 도핑제는 음의 실리콘과 양의 베릴륨이다.

베릴륨은 독성 문제가 있어 실리콘 도펀트보다 약 10 배나 더 비싸다. 또한, 베릴륨은 열에 민감하여 제조 과정에서 유연성을 제한한다. 그러나, 연구팀은 이전에는 용인될 수 있는 수준 이하로 비소의 양을 줄임으로써 실리콘 도펀트의 극성을 뒤집을 수 있어 저렴하고, 보다 안정적인 요소를 사용할 수 있다.

개선된 도핑 공정과 새로운 합금은 집중형 광전지에 사용되는 반도체를 30 % 저렴하게 제조할 수 있어 대규모 전기 생산에 실용적인 고효율 태양 전지를 구현하는데 큰 진전을 가져 올 것이다.