Billigere, bedre solcelle er fuld af huller

En ny billig ætseteknik udviklet ved det amerikanske energiministeriums National Renewable Energy Laboratory kan sætte en billion huller i en siliciumwafer på størrelse med en compact disc.

Efterhånden som de små huller bliver dybere, de får det sølvgrå silicium til at se mørkere og mørkere ud, indtil det bliver næsten rent sort og i stand til at absorbere næsten alle lysfarver, solen kaster efter det.

Ved stuetemperatur, den sorte siliciumwafer kan laves på cirka tre minutter. Ved 100 grader F, det kan laves på mindre end et minut.

NREL-forskernes gennembrud vil sandsynligvis føre til billigere solceller, som ikke desto mindre er mere effektive end dem, der bruges på hustage og i solceller i dag.

R&D Magazine tildelte for nylig NREL-teamet en af ​​deres R&D 100-priser for Black Silicon Nanocatalytic Wet-Chemical Etch. Kaldet "Opfindelsens Oscars, "R&D 100-priserne anerkender årets mest betydningsfulde videnskabelige gennembrud.

Howard Branz, hovedefterforsker for projektet, sagde, at hans hold blev interesseret i slutningen af ​​2006, efter at han hørte en tale af en videnskabsmand fra det tekniske universitet i München. Videnskabsmanden beskrev, hvordan hans hold havde skabt sort silicium ved at lægge et tyndt guldlag ned ved hjælp af en vakuumaflejringsteknik. Hurtigt, NREL seniorforsker Qi Wang og senioringeniør Scott Ward gav det en chance.

"Vi rider altid på andres skuldre, " sagde Branz. "Vi startede med at replikere München-eksperimentet."

Lyspakker, Gyldne huller

Tænk på lys som kommer i små pakker. Hver pakke er en foton, som potentielt kan ændres til en elektron til solenergi. Hvis fotonen preller af overfladen af ​​en solcelle, det er energi tabt. Noget af lyset preller normalt af, når det rammer en genstand, men en 'sort silicium' wafer vil absorbere alt det lys, der rammer den.

Det menneskelige øje opfatter waferen som sort, fordi næsten intet sollys reflekterer tilbage til nethinden. Og det skyldes, at trillioner huller i waferens overflade gør et meget bedre stykke arbejde med at absorbere lysets bølgelængder, end en fast overflade gør.

Det er nogenlunde samme grund til, at loftplader med huller absorberer lyd bedre end loftplader uden huller. Forskere i slutningen af ​​det 19. århundrede havde allerede lavet eksperimenter for at vise, at det, der virker til at absorbere lyd, også virker til at absorbere lys.

Holdet fra München brugte fordampningsteknikker, der kræver dyre vakuumpumper til at lægge et meget tyndt lag guld, måske 10 atomer tyk, sagde Branz. Når en blanding af hydrogenperoxid og flussyre blev hældt på det tynde guldlag, nanopartikler af guld boret ind i den glatte overflade af skiven, lave milliarder af huller.

NREL-teamet vidste med det samme, at de vakuumpumper og fordampningsudstyr, der var nødvendigt for at deponere guldet, var for dyre til at blive kommercielt levedygtige.

NRELs mål:Forenkle processen, Sænk omkostningerne

"Vores tankegang var, at hvis målet er at gøre det billigere, vi ønsker helt at undgå vakuumaflejring, " sagde Branz.

I en række indsigter uden for boksen kombineret med noget serendipitet, Branz og kolleger Scott Ward, Vern Yost og Anna Duda forenklede den proces i høj grad.

I stedet for at lægge guldet med støvsugere og pumper, hvorfor ikke bare sprøjte det på? Ward foreslog.

I stedet for at lægge guldet i lag og derefter tilføje den sure blanding, hvorfor ikke blande det hele fra starten? Foreslog Dada.

I kombination, disse to forslag gav endnu bedre resultater.

Forskerne satte en suspenderet opløsning af guld nanopartikler, kaldet kolloidt guld, på siliciumoverfladen, og lad vandet fordampe natten over for kun at efterlade guldet, som så ætset ind i oblaten. Skiven blev næsten lige så sort som med det fordampede guld.

En heldig ulykke

Og så, som det ofte er tilfældet med vigtige videnskabelige gennembrud, serendipitet indtastet.

NREL-tekniker og kemiker Vern Yost bemærkede efter et stykke tid, at han ikke fik så gode resultater, og antog, at det var fordi et gammelt parti kolloide nanopartikler på en eller anden måde var klumpet sammen. Så han prøvede at adskille dem med aqua regia, en stærkt ætsende blanding af salpetersyre og saltsyre. Aqua regia er latin for kongeligt vand, og henviser til en væske, der kan opløse de kongelige metaller som sølv og guld.

Regiavandsbehandlingen fik processen til at fungere bedre end nogensinde, og en lille undersøgelse viste, at aqua regia havde reageret med guldet for at danne en opløsning af chloroaurinsyre.

Voila! Chlorauric syre er billigere end kolloidt guld og er faktisk den kemiske forløber, som industrien bruger til at fremstille kolloidt guld.

Kunne det samme sort-silicium ætsningsresultat opnås ved at erstatte dyrt kolloid guld med den billige chloroaurinsyre? og så blande det som før med brintoverilte og flussyre? Yost og Branz undrede sig.

Ja, det virkede. "Chloraurinsyre er meget billigere end kolloidt guld, " sagde Branz. "I det væsentlige, ved at springe et par trin over, de var i stand til at lave guld-nanopartikler af chloraurinsyren, samtidig med at de ætsede huller ind i siliciumet med det guld, de havde lavet."

Når først konceptet var forstået og blandingen af ​​materialer løst, selve fremstillingen af ​​en sort siliciumwafer blev ret enkel.

"Du tager et bæger, sæt en siliciumwafer i, hæld klorourinsyre i, hæld flussyre og brintoverilte i, og vent, " sagde Branz.

Så lidt som 20 sekunder senere, den sølvfarvede siliciumwafer bliver sort.

"Vores metode giver et sortere silicium og ville erstatte et dyrt vakuumaflejringssystem med et enkelt, billig, vådætsetrin, " sagde Branz.

Billigere proces gør også et bedre materiale

De testede deres sorte silicium og fandt ud af, at den meget billigere opskrift indeholdende chloroaurinsyre hurtigt reducerede den uønskede refleksion til mindre end 2 procent. Den mere omkostningskrævende fremgangsmåde ved anvendelse af konventionelle siliciumnitrid-anti-refleksionslag gik i stå ved omkring 3 til 7 procent refleksion. Som en ekstra bonus, sort silicium forhindrer refleksion af morgen- og eftermiddagssollys med lav vinkel langt bedre end det konventionelle antireflekslag.

For at forstå hvorfor deres billige tilgang fungerede så godt, holdet hentede NREL-optikekspert og seniorforsker Paul Stradins og NREL-elektronmikroskopister Bobby To og Kim Jones. Trioen fandt ud af, at det sorte silicium dæmpede refleksion så godt, fordi hullerne var mindre i diameter end solens bølgelængder.

Det er afgørende, fordi hvis hullerne var lige så store som disse lysbølgelængder, lysstrålerne ville genkende en "skarp grænseflade, " præcis som de ville, hvis de stødte på en tæller i rustfrit stål. Enhver skarp grænseflade får lyset fra solen til at reflektere fra overfladen, før det kan komme ind i solcellen og blive omdannet til elektricitet.

En anden grund til, at sollyset aldrig føler en skarp grænseflade, når det rammer silicium, er, at alle disse billioner af huller bores i forskellige dybder, på grund af tilfældigheden af ​​ætsningshastigheden for hver nanopartikel. På grund af de variable dybder af hullerne, strålerne bevæger sig meget gradvist fra luft til silicium. Lyset møder aldrig en brat ændring fra luft til fast overflade, så det hopper ikke af skiven.

Men vil det fungere i en solcelle?

Dernæst var den formidable udfordring at bruge teknologien til at lave en brugbar solcelle.

Hao-Chi Yuan, en postdoc forsker, blev føjet til holdet for at finde ud af, hvordan man bedst kan arbejde denne nye form for silicium ind i en solcelle, lave solcellerne og bestemme styrkerne og svaghederne ved denne nye slags celler. Yuan, sammen med Yost, Branz og NREL-ingeniør Matthew Page arbejdede på at bestemme de ideelle dybder og diametre af hullerne, hvis målet er at omdanne fotoner til elektroner.

For at holde en solcelle på eller tæt på den rekordhøje effektivitet på 16,8 procent, de havde opnået, de indså, at hullerne skulle overholde "Goldilocks"-princippet. Hullerne skal være "lige rigtige":dybe nok til at blokere refleksioner, men ikke så dybt, at de ødelægger solcellen.

Specifikt, de fandt, at de bedste resultater fandt sted, når trillioner af huller i gennemsnit var omkring 500 nanometer eller en halv mikron dybe, og deres diametre blot en lille smule smallere end den mindste bølgelængde af lys. (Hvor lille? Diameteren på 40 huller, lagt sammen, ville være tykkelsen af ​​et menneskehår.)

Hvis hullerne var meget dybere, solcellen ville have problemer med at trække alle de solgenererede elektroner ud. Effektiviteten ville være så lav, at ingen ville ønske at sætte cellerne på deres tag.

Heldigvis, at kombinationen af ​​dybde og diameter kan opnås med en 3-minutters vådætsning ved stuetemperatur.

Industrien er akut interesseret

Selvom de bliver billigere at fremstille, NRELs bedste solceller er stadig et par tiendedele procent mindre effektive end den konventionelle type. Men den lave refleksion betyder, at der kan opnås et spring i fotovoltaisk effektivitet på mindst 1 procentpoint. Holdet arbejder stadig på at fjerne en smule mere effektivitet fra de sorte siliciumceller. Solcelleverdenen er blevet et spil med tommer, Branz sagde, så "selv et halvt procentpoint stød i effektivitet til reducerede omkostninger ville være enormt."

Solcellevirksomheder er interesserede i at licensere teknologien fra NREL.

"Vi har haft flere virksomheder på besøg her for at lære mere om det, "Chris Harris, associeret direktør for licensering i NRELs kommercialiserings- og teknologioverførselsafdeling, sagde. "Interessen er stor.

"Dette er bestemt en væsentlig fordel i en industri, hvor alle konkurrerer om markedsandele, og prisen pr. watt er en vigtig salgsfunktion, "Harris tilføjede. "Sort silicium giver en ekstra fordel oven i enhver anden effektivitetsforbedringer, som en virksomhed kan opnå."

Al Goodrich, en senior omkostningsanalytiker for NRELs PV-produktionsafdeling, fandt ud af, at fremstilling af de sorte siliciumplader kræver omkring en tredjedel mindre energi end at tilføje det konventionelle antirefleksionslag til den færdige solcelle.

Et-trins processen er også meget nemmere for miljøet.

Teknologien ville erstatte en proces, der bruger farlig silangas, samt rensegasser som nitrogentrifluorid, som har 17, 000 gange mere slagkraft end kuldioxid ved at bidrage til den globale opvarmning. Et skift til den sorte silicium vådætsningsteknologi ville betyde enorme reduktioner i drivhusgasser, og forbedringer i energitilbagebetalingen for resulterende PV-enheder. Det reducerer også kapitalomkostningerne ved at starte en fabrikslinje med cirka 10 procent, fordi det erstatter adskillige dyre vakuumdampværktøjer med et simpelt vådt bad, sagde Goodrich.

NREL anslår, at det sorte silicium kan reducere omkostningerne til cellekonvertering med 4 til 8 procent, samtidig med at der anvendes bredt tilgængelige industrielle materialer og udstyr.

"Det er stort, " tilføjede Goodrich. "De mennesker, der er interesserede i denne teknologi, erkender, at denne forskel er værdifuld fast ejendom."