Una nuova tecnica di incisione a basso costo sviluppata presso il National Renewable Energy Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti può creare un trilione di fori in un wafer di silicio delle dimensioni di un compact disc.

Mentre i piccoli fori si approfondiscono, fanno apparire il silicio grigio-argenteo sempre più scuro fino a farlo diventare quasi nero puro e in grado di assorbire quasi tutti i colori della luce che il sole gli proietta.

A temperatura ambiente, il wafer di silicio nero può essere realizzato in circa tre minuti. A 100 gradi F, si può fare in meno di un minuto.

La svolta degli scienziati del NREL probabilmente porterà a celle solari a basso costo che sono comunque più efficienti di quelle utilizzate oggi sui tetti e negli array solari.

R&D Magazine ha recentemente assegnato al team NREL uno dei suoi 100 premi R&D per Black Silicon Nanocatalytic Wet-Chemical Etch. Chiamato "gli Oscar dell'invenzione, " i premi R&D 100 riconoscono le scoperte scientifiche più significative dell'anno.

Howard Branz, il ricercatore principale del progetto, ha detto che il suo team si è interessato alla fine del 2006 dopo aver ascoltato un discorso di uno scienziato dell'Università tecnica di Monaco. Lo scienziato ha descritto come il suo team aveva creato silicio nero stendendo un sottile strato d'oro usando una tecnica di deposizione sotto vuoto. Rapidamente, Lo scienziato senior della NREL Qi Wang e l'ingegnere senior Scott Ward ci hanno provato.

"Cavalchiamo sempre sulle spalle degli altri, "Branz ha detto. "Abbiamo iniziato replicando l'esperimento di Monaco".

pacchetti di luce, Fori d'oro

Pensa alla luce come se arrivasse in piccoli pacchetti. Ogni pacchetto è un fotone, che potenzialmente può essere trasformato in un elettrone per l'energia solare. Se il fotone rimbalza sulla superficie di una cella solare, questa è energia persa. Parte della luce normalmente rimbalza quando colpisce un oggetto, ma un wafer di "silicio nero" assorbirà tutta la luce che lo colpisce.

L'occhio umano percepisce il wafer come nero perché quasi nessuna luce solare si riflette sulla retina. E questo perché i trilioni di fori nella superficie del wafer assorbono le lunghezze d'onda della luce molto meglio di una superficie solida.

È più o meno lo stesso motivo per cui i pannelli del controsoffitto con fori assorbono il suono meglio dei pannelli del controsoffitto senza fori. Gli scienziati della fine del XIX secolo avevano già fatto esperimenti per dimostrare che ciò che funziona per assorbire il suono funziona anche per assorbire la luce.

Il team di Monaco ha utilizzato tecniche di evaporazione che richiedono costose pompe per vuoto per stendere uno strato d'oro molto sottile, forse 10 atomi di spessore, disse Branz. Quando una miscela di perossido di idrogeno e acido fluoridrico è stata versata sul sottile strato d'oro, nanoparticelle d'oro perforate nella superficie liscia del wafer, facendo miliardi di buchi.

Il team NREL ha capito subito che le pompe per vuoto e le apparecchiature evaporative necessarie per depositare l'oro erano troppo costose per diventare commercialmente redditizie.

Obiettivo del NREL:semplificare il processo, Abbassa il costo

"Il nostro pensiero era che se l'obiettivo è renderlo più economico, vogliamo evitare completamente la deposizione sotto vuoto, " disse Branz.

In una serie di intuizioni fuori dagli schemi combinate con un po' di serendipità, Branz e i colleghi Scott Ward, Vern Yost e Anna Duda hanno notevolmente semplificato questo processo.

Piuttosto che posare l'oro con aspirapolveri e pompe, perché non spruzzarlo semplicemente? Suggerì Ward.

Piuttosto che stratificare l'oro e poi aggiungere la miscela acida, perché non mischiare il tutto sin dall'inizio? Suggerì Dada.

In combinazione, quei due suggerimenti hanno prodotto risultati ancora migliori.

Gli scienziati hanno messo una soluzione sospesa di nanoparticelle d'oro, chiamato oro colloidale, sulla superficie del silicio, e lascia che l'acqua evapori durante la notte per lasciare solo l'oro, che poi inciso nel wafer. L'ostia diventò nera quasi quanto l'oro evaporato.

Un fortunato incidente

Poi, come spesso accade con importanti scoperte scientifiche, serendipità entrata.

Il tecnico e chimico NREL Vern Yost si accorse dopo un po' di non ottenere risultati così buoni, e presumeva che fosse perché un vecchio lotto di nanoparticelle colloidali si era in qualche modo ammassato insieme. Così cercò di separarli con l'acqua regia, una miscela altamente corrosiva di acido nitrico e acido cloridrico. Aqua regia in latino significa acqua regale, e si riferisce a un liquido che può dissolvere i metalli reali come argento e oro.

Il trattamento con acqua regia ha permesso al processo di funzionare meglio che mai, ed una piccola indagine trovò che l'acqua regia aveva reagito con l'oro per formare una soluzione di acido cloroaurico.

Ecco! L'acido cloroaurico è meno costoso dell'oro colloidale ed è in realtà il precursore chimico che l'industria usa per produrre oro colloidale.

Si potrebbe ottenere lo stesso risultato di incisione del silicio nero sostituendo l'economico acido cloroaurico con il costoso oro colloidale, e poi mischiandolo come prima con acqua ossigenata e acido fluoridrico? si domandarono Yost e Branz.

Sì, ha funzionato. "L'acido cloroaurico è molto più economico dell'oro colloidale, "Branz ha detto. "In sostanza, saltando qualche passaggio, sono stati in grado di produrre nanoparticelle d'oro dall'acido cloroaurico mentre incidevano fori nel silicio con l'oro che avevano prodotto".

Una volta compreso il concetto e risolto il mix di materiali, l'effettiva realizzazione di un wafer di silicio nero divenne abbastanza semplice.

"Prendi un bicchiere, mettici dentro un wafer di silicio, versare l'acido cloroaurico, versare l'acido fluoridrico e il perossido di idrogeno, e aspetta, " disse Branz.

Appena 20 secondi dopo, il wafer di silicio argenteo diventa nero.

"Il nostro metodo fornisce un silicio più nero e sostituirebbe un costoso sistema di deposizione sotto vuoto con un singolo, a buon mercato, passo di incisione a umido, " disse Branz.

Il processo più economico rende anche un materiale migliore

Hanno testato il loro silicio nero e hanno scoperto che la ricetta molto più economica contenente acido cloroaurico riduceva rapidamente il riflesso indesiderato a meno del 2%. L'approccio più costoso che utilizza strati antiriflesso di nitruro di silicio convenzionali si è arrestato a circa il 3-7 percento di riflessione. Come bonus aggiuntivo, il silicio nero impedisce il riflesso della luce solare mattutina e pomeridiana a basso angolo molto meglio dello strato antiriflesso convenzionale.

Per capire perché il loro approccio economico ha funzionato così bene, il team ha portato l'esperto di ottica NREL e scienziato senior Paul Stradins e i microscopisti elettronici NREL Bobby To e Kim Jones. Il trio ha scoperto che il silicio nero attenuava la riflessione così bene perché i fori avevano un diametro più piccolo delle lunghezze d'onda solari.

questo è cruciale, perché se i fori fossero grandi come queste lunghezze d'onda della luce, i raggi di luce riconoscerebbero una "interfaccia nitida, " proprio come farebbero se incontrassero un contatore in acciaio inossidabile. Qualsiasi interfaccia tagliente fa riflettere la luce del sole dalla superficie prima che possa entrare nella cella solare e trasformarsi in elettricità.

Un'altra ragione per cui la luce del sole non percepisce mai un'interfaccia nitida quando colpisce il silicio è che tutti quei trilioni di buchi sono annoiati a profondità diverse, a causa della casualità della velocità di incisione di ciascuna nanoparticella. A causa della profondità variabile dei fori, i raggi passano molto gradualmente dall'aria al silicio. La luce non incontra mai un brusco passaggio dall'aria alla superficie solida, quindi non rimbalza sul wafer.

Ma funzionerà in una cella solare?

La successiva è stata la formidabile sfida di utilizzare la tecnologia per realizzare una cella solare funzionante.

Hao Chi Yuan, un ricercatore post-dottorato, è stato aggiunto al team per capire come lavorare al meglio questo nuovo tipo di silicio in una cella solare, realizzare le celle solari e determinare i punti di forza e di debolezza di questo nuovo tipo di cella. Yuan, insieme a Yost, Branz e l'ingegnere NREL Matthew Page hanno lavorato per determinare le profondità e i diametri ideali dei fori se l'obiettivo è trasformare i fotoni in elettroni.

Per mantenere una cella solare al livello di efficienza record del 16,8 percento o vicino a quello raggiunto, si resero conto che i fori dovevano aderire al principio "Riccioli d'oro". I fori devono essere "giusti":abbastanza profondi da bloccare i riflessi, ma non così profonde da rovinare la cella solare.

Nello specifico, hanno scoperto che i risultati migliori si sono verificati quando i trilioni di fori erano in media profondi circa 500 nanometri o mezzo micron, e i loro diametri appena un po' più stretti della più piccola lunghezza d'onda della luce. (Quanto è piccolo? Il diametro di 40 fori, sommati insieme, sarebbe lo spessore di un capello umano.)

Se i buchi fossero molto più profondi, la cella solare avrebbe problemi a estrarre tutti gli elettroni generati dal sole. L'efficienza sarebbe così bassa che nessuno vorrebbe mettere le celle sul tetto.

felicemente, tale combinazione di profondità e diametro può essere ottenuta con un bagno di incisione a umido di 3 minuti a temperatura ambiente.

L'industria è fortemente interessata

Anche se saranno più economici da produrre, Le migliori celle solari di NREL sono ancora di qualche decimo di percento meno efficienti rispetto al tipo convenzionale. Ma la bassa riflessione significa che si potrebbe ottenere un salto di efficienza fotovoltaica di almeno 1 punto percentuale. Il team sta ancora lavorando per ottenere un po' più di efficienza dalle celle di silicio nero. Il mondo delle celle solari è diventato un gioco di pollici, Branz ha detto, quindi "anche mezzo punto percentuale di aumento dell'efficienza a costi ridotti sarebbe enorme".

Le società di celle solari sono interessate a concedere in licenza la tecnologia da NREL.

"Abbiamo avuto diverse aziende che sono venute a trovarci qui per saperne di più, "Chris Harris, direttore associato delle licenze nella divisione di commercializzazione e trasferimento tecnologico di NREL, disse. "L'interesse è alto.

"Questo è certamente un vantaggio significativo in un settore in cui tutti sono in competizione per la quota di mercato e il costo per watt è una caratteristica di vendita chiave, "Ha aggiunto Harris. "Il silicio nero fornisce un ulteriore vantaggio in aggiunta a qualsiasi altro miglioramento dell'efficienza che un'azienda può ottenere".

Al Goodrich, un analista dei costi senior per la divisione di produzione fotovoltaica di NREL, hanno scoperto che la produzione dei wafer di silicio nero richiede circa un terzo in meno di energia rispetto all'aggiunta del convenzionale strato antiriflesso alla cella solare finita.

Il processo in un unico passaggio è anche molto più semplice per l'ambiente.

La tecnologia sostituirebbe un processo che utilizza il pericoloso gas silano, così come i gas di pulizia come il trifluoruro di azoto, che ha 17, 000 volte più potente dell'anidride carbonica nel contribuire al riscaldamento globale. Un passaggio alla tecnologia di incisione a umido al silicio nero significherebbe enormi riduzioni dei gas serra, e miglioramenti nell'ammortamento energetico per i dispositivi fotovoltaici risultanti. Riduce anche i costi di capitale per l'avvio di una linea di fabbrica di circa il 10 percento, perché sostituisce diversi costosi strumenti a vapore sottovuoto con un semplice bagno umido, ha detto Goodrich.

NREL stima che il silicio nero possa ridurre i costi di conversione delle celle dal 4 all'8 percento, utilizzando materiali e attrezzature industriali ampiamente disponibili.

"È grande, " Goodrich ha aggiunto. "Le persone interessate a questa tecnologia riconoscono che questa differenza è un bene immobile di valore".