Microdraden gemaakt van silicium -- kleine draadjes met een dikte vergelijkbaar met een mensenhaar -- hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen, inclusief de productie van zonnecellen die veel meer zonlicht kunnen oogsten voor een bepaalde hoeveelheid materiaal dan een conventionele zonnecel gemaakt van een dunne plak siliciumkristal. Nu hebben onderzoekers van MIT en Penn State een manier gevonden om dergelijke draden op een zeer gecontroleerde manier in hoeveelheden te produceren die kunnen worden opgeschaald naar een proces op industriële schaal, mogelijk leidend tot praktische commerciële toepassingen.

Andere manieren om dergelijke draden te maken zijn al bekend, en er zijn door verschillende onderzoekers prototypes van zonnecellen gemaakt. Maar deze methoden hebben ernstige beperkingen, zegt Tonio Buonassisi, MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde en co-auteur van een paper over het nieuwe werk dat onlangs online in het tijdschrift is gepubliceerd Klein , en zal binnenkort verschijnen in de gedrukte editie. De meeste vereisen verschillende extra productiestappen, bieden weinig controle over de exacte afmetingen en afstand van de draden, en werk alleen op vlakke oppervlakken. Daarentegen, het nieuwe proces is eenvoudig maar biedt nauwkeurige controle over de draadafmetingen en afstand, en zou theoretisch kunnen worden gedaan op elk soort gebogen, 3D-oppervlak.

Men denkt dat microdraden in staat zijn om een ​​efficiëntie te bereiken die dicht bij die van conventionele zonnecellen ligt bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit, maar omdat de draden zo klein zijn, zouden ze dat doen met slechts een kleine fractie van de hoeveelheid duur silicium die nodig is voor de conventionele cellen, waardoor mogelijk aanzienlijke kostenbesparingen worden bereikt.

Naast het potentiële gebruik van microdraden in zonnecellen, andere onderzoekers hebben manieren voorgesteld waarop dergelijke microscopisch kleine draden kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten transistors en geïntegreerde schakelingen te bouwen, evenals elektroden voor geavanceerde batterijen en bepaalde soorten omgevingsbewakingsapparatuur. Om een ​​van deze ideeën praktisch te laten zijn, echter, er moet een efficiënte, schaalbare productiemethode.

De nieuwe methode omvat het verwarmen en opzettelijk besmetten van het oppervlak van een siliciumwafel met koper, die in het silicium diffundeert. Vervolgens, wanneer het silicium langzaam afkoelt, het koper diffundeert naar buiten en vormt druppeltjes op het oppervlak. Vervolgens, wanneer het in een atmosfeer van siliciumtetrachloridegas wordt geplaatst, overal waar zich een koperdruppel op het oppervlak bevindt, beginnen siliciummicrodraden naar buiten te groeien. Silicium in het gas lost op in deze koperdruppels, en dan na het bereiken van een voldoende concentratie begint neer te slaan op de bodem van de druppel, op het siliciumoppervlak eronder. Deze opeenhoping van silicium wordt geleidelijk langer om microdraden te vormen die elk slechts ongeveer 10 tot 20 micrometer (miljoensten van een meter) breed zijn, opgroeien vanaf de oppervlakte. Het hele proces kan herhaaldelijk worden uitgevoerd op industriële productieschaal, Buonassisi zegt, of zelfs mogelijk aangepast kunnen worden aan een continu proces.

De afstand tussen de draden wordt bepaald door texturen die op het oppervlak zijn gemaakt - kleine kuiltjes kunnen centra vormen voor de koperdruppels - maar de grootte van de draden wordt bepaald door de temperaturen die worden gebruikt voor de diffusiefase van het proces. Dus, in tegenstelling tot andere productiemethoden, de grootte en afstand van de draden kunnen onafhankelijk van elkaar worden geregeld, zegt Buonassisi.

Het tot nu toe verrichte werk is slechts een bewijs van principe, hij zegt, en er moet nog meer worden gedaan om de beste combinaties van temperatuurprofielen te vinden, koperconcentraties en oppervlaktepatronen voor verschillende toepassingen, omdat het proces grote verschillen in de grootte van de draden mogelijk maakt. Bijvoorbeeld, het moet nog worden bepaald welke dikte en afstand van draden de meest efficiënte zonnecellen oplevert. Maar dit werk toont een potentieel aan voor een soort zonnecel op basis van dergelijke draden die de kosten aanzienlijk zou kunnen verlagen, zowel door het gebruik van lagere kwaliteiten silicium toe te staan ​​(dat wil zeggen, minder zeer verfijnd), omdat het proces van draadgroei helpt om het materiaal te zuiveren, en door veel kleinere hoeveelheden ervan te gebruiken, aangezien de kleine draden slechts een klein deel uitmaken van de hoeveelheid die nodig is voor conventionele siliciumkristalwafels. “Dit is nog in een pril stadium, " zegt Buonassisi, want bij het kiezen van een configuratie voor zo'n zonnecel "zijn er zoveel dingen om te optimaliseren."

Michaël Kelzenberg, een postdoctoraal wetenschapper aan het California Institute of Technology die de afgelopen vijf jaar onderzoek heeft gedaan naar siliciummicrodraden, zegt dat terwijl anderen de koperdruppeltechniek hebben gebruikt voor het kweken van microdraden, "Wat hier echt nieuw is, is de methode om die druppeltjes van vloeibaar metaal te produceren." Terwijl anderen de druppeltjes gesmolten koper op de siliciumplaat moesten plaatsen, die extra verwerkingsstappen vereisen, "Buonassisi en zijn collega's hebben aangetoond dat metaal vooraf in het groeisubstraat kan worden gediffundeerd, en door zorgvuldige verwarming en koeling, de metalen druppeltjes zullen zich vanzelf vormen - met de juiste positie en grootte."

Kelzenberg voegt eraan toe dat zijn onderzoeksgroep onlangs heeft aangetoond dat zonnecellen van siliciummicrodraad de efficiëntie kunnen evenaren van de typische commerciële zonnecellen van vandaag. "Ik denk dat de grootste uitdaging die overblijft, is om aan te tonen dat deze techniek kosteneffectiever of anderszins voordeliger is dan andere productiemethoden voor katalysatormetaal, ' zegt hij. Maar over het algemeen, hij zegt, een versie van siliciummicrodraadtechnologie "heeft het potentieel om drastische kostenbesparingen mogelijk te maken" van zonnepanelen.

Het papier is co-auteur van Vidya Ganapati '10, promovendus David Fenning, postdoctoraal onderzoeker Mariana Bertoni, en onderzoeksspecialist Alexandria Fecych, allemaal in de afdeling Werktuigbouwkunde van MIT, en postdoctoraal onderzoeker Chito Kendrick en professor Joan Redwing van de Pennsylvania State University. Het werk werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, de Chesonis Family Foundation en de National Science Foundation.