Ny billig måde at dyrke siliciummikrotråde til sensorer, batterier og solceller

Mikrotråde lavet af silicium - små tråde med en tykkelse, der kan sammenlignes med et menneskehår - har en bred vifte af mulige anvendelser, herunder produktion af solceller, der kan høste meget mere sollys for en given mængde materiale end en konventionel solcelle lavet af en tynd wafer af siliciumkrystal. Nu har forskere fra MIT og Penn State fundet en måde at producere sådanne ledninger i mængde på en meget kontrolleret måde, som kunne skaleres op til en proces i industriel skala, potentielt kan føre til praktiske kommercielle anvendelser.

Andre måder at lave sådanne ledninger på er allerede kendt, og prototyper af solceller lavet af dem er blevet produceret af flere forskere. Men disse metoder har alvorlige begrænsninger, siger Tonio Buonassisi, MIT professor i maskinteknik og medforfatter til en artikel om det nye arbejde, der for nylig blev offentliggjort online i tidsskriftet Lille , og vil snart udkomme i den trykte udgave. De fleste kræver flere ekstra fremstillingstrin, giver ringe kontrol over de nøjagtige størrelser og afstand mellem ledningerne, og kun arbejde på flade overflader. Derimod den nye proces er enkel, men tillader præcis kontrol over ledningsdimensionerne og afstanden, og kunne teoretisk gøres på enhver form for buet, 3-D overflade.

Mikrotråde menes at være i stand til at nå effektiviteter tæt på konventionelle solcellers effektivitet ved omdannelse af sollys til elektricitet, men fordi ledningerne er så små, ville de kun gøre det ved at bruge en lille brøkdel af den mængde dyre silicium, der er nødvendig for de konventionelle celler, dermed potentielt opnå store reduktioner i omkostningerne.

Ud over mikrotrådes potentielle anvendelse i solceller, andre forskere har foreslået måder, hvordan sådanne mikroskopiske ledninger kan bruges til at bygge nye slags transistorer og integrerede kredsløb, samt elektroder til avancerede batterier og visse former for miljøovervågningsudstyr. For at nogen af ​​disse ideer skal være praktiske, imidlertid, der skal være en effektiv, skalerbar fremstillingsmetode.

Den nye metode involverer opvarmning og bevidst forurening af overfladen af ​​en siliciumwafer med kobber, som diffunderer ind i silicium. Derefter, når silicium langsomt afkøles, kobberet diffunderer ud og danner dråber på overfladen. Derefter, når det placeres i en atmosfære af siliciumtetrachloridgas, siliciummikrotråde begynder at vokse udad, hvor der er en kobberdråbe på overfladen. Silicium i gassen opløses i disse kobberdråber, og efter at have nået en tilstrækkelig koncentration begynder at udfældes i bunden af ​​dråben, på siliciumoverfladen nedenfor. Denne opbygning af silicium forlænges gradvist og danner mikrotråde, der hver kun er omkring 10 til 20 mikrometer (milliontedele af en meter) på tværs, vokser op fra overfladen. Hele processen kan udføres gentagne gange i industriel fremstillingsskala, Buonassisi siger, eller endda potentielt kunne tilpasses til en kontinuerlig proces.

Afstanden mellem ledningerne styres af teksturer skabt på overfladen - små fordybninger kan danne centre for kobberdråberne - men størrelsen af ​​ledningerne styres af de temperaturer, der bruges til diffusionsstadiet af processen. Dermed, i modsætning til andre produktionsmetoder, størrelsen og afstanden mellem ledningerne kan styres uafhængigt af hinanden, siger Buonassisi.

Det arbejde, der er udført indtil nu, er blot et principbevis, han siger, og mere arbejde skal gøres for at finde de bedste kombinationer af temperaturprofiler, kobberkoncentrationer og overflademønstre til forskellige applikationer, da processen giver mulighed for størrelsesordensforskelle i ledningernes størrelse. For eksempel, det er endnu ikke fastlagt, hvilken tykkelse og afstand mellem ledninger, der giver de mest effektive solceller. Men dette arbejde demonstrerer et potentiale for en slags solcelle baseret på sådanne ledninger, der kan sænke omkostningerne betydeligt, både ved at tillade brugen af ​​lavere kvaliteter af silicium (dvs. mindre raffineret), da processen med trådvækst hjælper med at rense materialet, og ved at bruge meget mindre mængder af det, da de bittesmå ledninger kun består af en lille brøkdel af den mængde, der er nødvendig for konventionelle siliciumkrystalskiver. "Dette er stadig i en meget tidlig fase, Buonassisi siger, fordi der, når man beslutter sig for en konfiguration til sådan en solcelle, "er så mange ting at optimere."

Michael Kelzenberg, en postdoktor ved California Institute of Technology, som har brugt de sidste fem år på at forske i siliciummikrotråde, siger, at mens andre har brugt kobber-dråbe-teknikken til at dyrke mikrotråde, "Det, der virkelig er nyt her, er metoden til at producere de flydende metaldråber." Mens andre har været nødt til at placere dråberne af smeltet kobber på siliciumpladen, kræver ekstra behandlingstrin, "Buonassisi og hans kolleger har vist, at metal kan diffundere ind i vækstsubstratet på forhånd, og gennem omhyggelig opvarmning og afkøling, metaldråberne vil faktisk dannes af sig selv - med den korrekte position og størrelse."

Kelzenberg tilføjer, at hans forskergruppe for nylig har påvist, at silicium-mikrotrådsolceller kan svare til effektiviteten af ​​nutidens typiske kommercielle solceller. "Jeg tror, ​​at den største udfordring, der er tilbage, er at vise, at denne teknik er mere omkostningseffektiv eller på anden måde gavnlig end andre katalysatormetalproduktionsmetoder, ” siger han. Men samlet set, han siger, nogle versioner af silicium mikrowire teknologi "har potentialet til at muliggøre dramatiske omkostningsreduktioner" af solpaneler.

Avisen var medforfatter af Vidya Ganapati '10, doktorand David Fenning, postdoc Mariana Bertoni, og forskningsspecialist Alexandria Fecych, alle i MIT's Department of Mechanical Engineering, og postdoc-forsker Chito Kendrick og professor Joan Redwing fra Pennsylvania State University. Arbejdet blev støttet af det amerikanske energiministerium, Chesonis Family Foundation og National Science Foundation.