Een nieuwe goedkope etstechniek die is ontwikkeld door het National Renewable Energy Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, kan een biljoen gaten in een siliciumwafeltje ter grootte van een compact disc maken.

Naarmate de kleine gaatjes dieper worden, ze maken het zilvergrijze silicium donkerder en donkerder totdat het bijna puur zwart wordt en bijna alle kleuren licht kan absorberen die de zon erop werpt.

Op kamertemperatuur, de zwarte siliconenwafel kan in ongeveer drie minuten worden gemaakt. Bij 100 graden F, het kan in minder dan een minuut worden gemaakt.

De doorbraak van NREL-wetenschappers zal waarschijnlijk leiden tot goedkopere zonnecellen die niettemin efficiënter zijn dan de zonnecellen die tegenwoordig op daken en in zonnepanelen worden gebruikt.

R&D Magazine heeft het NREL-team onlangs een van zijn R&D 100-onderscheidingen toegekend voor Black Silicon Nanocatalytic Wet-Chemical Etch. genaamd "de Oscars of Invention, " de R&D 100-awards erkennen de belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van het jaar.

Howard Branz, de hoofdonderzoeker van het project, zei dat zijn team eind 2006 geïnteresseerd raakte nadat hij een lezing had gehoord van een wetenschapper van de Technische Universiteit van München. De wetenschapper beschreef hoe zijn team zwart silicium had gemaakt door een dunne goudlaag aan te brengen met behulp van een vacuümdepositietechniek. Snel, NREL senior wetenschapper Qi Wang en senior engineer Scott Ward probeerden het.

"We rijden altijd op de schouders van anderen, "Zei Branz. "We begonnen met het repliceren van het experiment in München."

Pakketten van licht, Gouden Gaten

Beschouw licht als dat het in kleine pakjes komt. Elk pakket is een foton, die mogelijk kan worden veranderd in een elektron voor zonne-energie. Als het foton van het oppervlak van een zonnecel weerkaatst, dat is verloren energie. Een deel van het licht wordt normaal gesproken weerkaatst wanneer het een object raakt, maar een wafel van 'zwart silicium' absorbeert al het licht dat erop valt.

Het menselijk oog neemt de wafel waar als zwart omdat er bijna geen zonlicht terugkaatst naar het netvlies. En dat komt omdat de biljoen gaten in het oppervlak van de wafel de golflengten van licht veel beter absorberen dan een vast oppervlak.

Het is ongeveer dezelfde reden dat plafondtegels met gaten erin geluid beter absorberen dan plafondtegels zonder gaten. Tegen het einde van de 19e eeuw hadden wetenschappers al experimenten gedaan om aan te tonen dat wat werkt om geluid te absorberen, ook werkt om licht te absorberen.

Het team uit München gebruikte verdampingstechnieken waarbij dure vacuümpompen nodig waren om een ​​heel dun laagje goud aan te brengen, misschien 10 atomen dik, zei Branz. Toen een mengsel van waterstofperoxide en fluorwaterstofzuur op de dunne goudlaag werd gegoten, nanodeeltjes van goud geboord in het gladde oppervlak van de wafel, miljarden gaten maken.

Het NREL-team wist meteen dat de vacuümpompen en verdampingsapparatuur die nodig waren om het goud te deponeren, te duur waren om commercieel levensvatbaar te worden.

NREL's doel:het proces vereenvoudigen, Verlaag de kosten

"Onze gedachte was dat als het doel is om het goedkoper te maken, we willen vacuümafzetting volledig vermijden, ' zei Branz.

In een reeks out-of-the-box inzichten gecombineerd met wat serendipiteit, Branz en collega's Scott Ward, Vern Yost en Anna Duda hebben dat proces enorm vereenvoudigd.

In plaats van het goud te leggen met stofzuigers en pompen, waarom spuit je het er niet gewoon op? suggereerde Ward.

In plaats van het goud in lagen te leggen en vervolgens het zure mengsel toe te voegen, waarom niet alles vanaf het begin door elkaar mengen? suggereerde Dada.

In combinatie, die twee suggesties leverden nog betere resultaten op.

De wetenschappers plaatsten een gesuspendeerde oplossing van gouden nanodeeltjes, genaamd colloïdaal goud, op het siliciumoppervlak, en laat het water een nacht verdampen om alleen het goud over te laten, die vervolgens in de wafel geëtst. De wafel werd bijna net zo zwart als bij het verdampte goud.

Een geluk bij een ongeluk

En dan, zoals vaak het geval is bij belangrijke wetenschappelijke doorbraken, serendipiteit ingevoerd.

NREL-technicus en chemicus Vern Yost merkte na een tijdje dat hij niet zulke goede resultaten kreeg, en nam aan dat het was omdat een oude partij colloïdale nanodeeltjes op de een of andere manier samengeklonterd was. Dus probeerde hij ze te scheiden met aqua regia, een zeer corrosief mengsel van salpeterzuur en zoutzuur. Aqua regia is Latijn voor vorstelijk water, en verwijst naar een vloeistof die de koninklijke metalen zoals zilver en goud kan oplossen.

De aqua regia-behandeling zorgde ervoor dat het proces beter dan ooit werkte, en een klein onderzoek wees uit dat de aqua regia met het goud had gereageerd om een ​​oplossing van chloorgoudzuur te vormen.

Voila! Chloorgoudzuur is minder duur dan colloïdaal goud en is eigenlijk de chemische voorloper die de industrie gebruikt om colloïdaal goud te maken.

Kan hetzelfde zwart-silicium etsresultaat worden bereikt door het goedkope chloorgoudzuur te vervangen door kostbaar colloïdaal goud, en het dan zoals voorheen mengen met waterstofperoxide en fluorwaterstofzuur? vroegen Yost en Branz zich af.

Ja, het werkte. "Chloorzuur is veel goedkoper dan colloïdaal goud, "Zei Branz. "In wezen, door een paar stappen over te slaan, ze waren in staat om gouden nanodeeltjes te maken van het chloorgoudzuur terwijl ze gaten in het silicium etsten met het goud dat ze hadden gemaakt."

Toen het concept eenmaal was begrepen en de mix van materialen was opgelost, het eigenlijke maken van een zwarte siliciumwafel werd vrij eenvoudig.

"Je neemt een beker, doe er een siliciumwafeltje in, giet het chloorgoudzuur erin, giet het fluorwaterstofzuur en waterstofperoxide in, en wacht, ' zei Branz.

Nog geen 20 seconden later, de zilverachtige siliciumwafel wordt zwart.

"Onze methode geeft een zwarter silicium en zou een duur vacuümdepositiesysteem vervangen door een enkele, goedkoop, natte etsstap, ' zei Branz.

Goedkoper proces maakt ook een beter materiaal

Ze testten hun zwarte silicium en ontdekten dat het veel goedkopere recept met chloorgoudzuur de ongewenste reflectie snel verminderde tot minder dan 2 procent. De duurdere benadering waarbij conventionele antireflectielagen van siliciumnitride werden gebruikt, bleef uit bij ongeveer 3 tot 7 procent reflectie. Als een toegevoegde bonus, zwart silicium voorkomt veel beter weerkaatsing van ochtend- en middagzon onder een lage hoek dan de conventionele antireflectielaag.

Om te begrijpen waarom hun goedkope aanpak zo goed werkte, het team bracht NREL-optica-expert en senior wetenschapper Paul Stradins en NREL-elektronenmicroscopisten Bobby To en Kim Jones binnen. Het trio ontdekte dat het zwarte silicium reflectie zo goed onderdrukte omdat de gaten een kleinere diameter hadden dan de zonnegolflengten.

Dat is cruciaal, want als de gaten zo groot waren als deze lichtgolflengten, de lichtstralen zouden een "scherpe interface, " net zoals ze zouden doen als ze een roestvrijstalen toonbank zouden tegenkomen. Elke scherpe interface zorgt ervoor dat het licht van de zon vanaf het oppervlak weerkaatst voordat het de zonnecel kan binnendringen en kan worden omgezet in elektriciteit.

Een andere reden waarom het zonlicht nooit een scherp grensvlak voelt wanneer het het silicium raakt, is dat al die biljoenen gaten tot verschillende diepten worden geboord, vanwege de willekeurigheid van de etssnelheid van elk nanodeeltje. Door de variabele dieptes van de gaten, de stralen gaan heel geleidelijk van lucht naar silicium. Het licht ervaart nooit een abrupte verandering van lucht naar vast oppervlak, zodat het niet van de wafel afketst.

Maar werkt het ook in een zonnecel?

Vervolgens kwam de enorme uitdaging om de technologie te gebruiken om een ​​werkbare zonnecel te maken.

Hao Chi Yuan, een postdoctoraal onderzoeker, werd aan het team toegevoegd om uit te zoeken hoe dit nieuwe soort silicium het beste in een zonnecel kan worden verwerkt, maken de zonnecellen en bepalen de sterke en zwakke punten van dit nieuwe type cel. Yuan, samen met Joost, Branz en NREL-ingenieur Matthew Page hebben de ideale diepten en diameters van de gaten bepaald als het doel is om fotonen in elektronen te veranderen.

Om een ​​zonnecel op of in de buurt van het recordrendement van 16,8 procent te houden dat ze hadden behaald, ze realiseerden zich dat de gaten moesten voldoen aan het "Goldilocks"-principe. De gaten moeten "precies goed" zijn:diep genoeg om reflecties te blokkeren, maar niet zo diep dat ze de zonnecel bederven.

specifiek, ze ontdekten dat de beste resultaten optraden wanneer de biljoenen gaten gemiddeld ongeveer 500 nanometer of een halve micron diep waren, en hun diameters zijn net iets smaller dan de kleinste golflengte van licht. (Hoe klein? De diameter van 40 gaten, opgeteld, zou de dikte van een mensenhaar zijn.)

Als de gaten veel dieper waren, de zonnecel zou moeite hebben om alle door de zon gegenereerde elektronen eruit te trekken. De efficiëntie zou zo laag zijn dat niemand de cellen op hun dak zou willen plaatsen.

Gelukkig, die combinatie van diepte en diameter kan worden bereikt met een nat-etsweek van 3 minuten bij kamertemperatuur.

De industrie is acuut geïnteresseerd

Hoewel ze goedkoper te produceren zijn, De beste zonnecellen van NREL zijn nog enkele tienden van een procent minder efficiënt dan het conventionele type. Maar door de lage reflectie kan een sprong in fotovoltaïsche efficiëntie van ten minste 1 procentpunt worden bereikt. Het team is nog steeds bezig om wat meer efficiëntie uit de zwarte siliciumcellen te halen. De zonnecelwereld is een spel van inches geworden, Branz zei, dus "zelfs een stijging van een half procentpunt in efficiëntie tegen lagere kosten zou enorm zijn."

Zonnecelbedrijven zijn geïnteresseerd in het in licentie geven van de technologie van NREL.

"We hebben verschillende bedrijven hier laten bezoeken om er meer over te weten te komen, "Chris Harris, adjunct-directeur licenties in de divisie commercialisering en technologieoverdracht van NREL, zei. "De belangstelling is groot.

"Dit is zeker een belangrijk voordeel in een sector waar iedereen strijdt om marktaandeel en de kosten per watt een belangrijk verkoopkenmerk zijn, Harris voegde toe. "Zwart silicium biedt een extra voordeel bovenop alle andere verbeteringen in efficiëntie die een bedrijf kan krijgen."

Al Goodrich, een senior kostenanalist voor de PV-productiedivisie van NREL, ontdekte dat het maken van de zwarte siliciumwafels ongeveer een derde minder energie kost dan het toevoegen van de conventionele antireflectielaag aan de voltooide zonnecel.

Het eenstapsproces is ook een stuk eenvoudiger voor het milieu.

De technologie zou een proces vervangen dat gebruik maakt van gevaarlijk silaangas, evenals reinigingsgassen zoals stikstoftrifluoride, die heeft 17, 000 keer meer impact dan koolstofdioxide bij het bijdragen aan de opwarming van de aarde. Een overstap naar de black silicon wet etch-technologie zou een enorme reductie van broeikasgassen betekenen, en verbeteringen in de terugverdientijd van energie voor resulterende PV-apparaten. Het vermindert ook de kapitaalkosten van het starten van een fabriekslijn met ongeveer 10 procent, omdat het verschillende dure vacuümdampgereedschappen vervangt door een eenvoudig nat bad, zei Goodrich.

NREL schat dat het zwarte silicium de celconversiekosten met 4 tot 8 procent kan verlagen, terwijl het gebruik van algemeen beschikbare industriële materialen en apparatuur.

"Dat is groot, " voegde Goodrich toe. "De mensen die geïnteresseerd zijn in deze technologie erkennen dat dat verschil waardevol onroerend goed is."