Goccioline fuse di rame, in alto, sciogliere il silicio da un gas circostante ricco di silicio, e poi il silicio precipita sul fondo della goccia per formare gradualmente un microfilo di silicio. Questa immagine al microscopio ha aggiunto del colore per chiarezza. Immagine per gentile concessione di Tonio Buonassisi
I microfili fatti di silicio - fili minuscoli con uno spessore paragonabile a un capello umano - hanno una vasta gamma di possibili usi, compresa la produzione di celle solari in grado di raccogliere molta più luce solare per una data quantità di materiale rispetto a una cella solare convenzionale costituita da un sottile wafer di cristallo di silicio. Ora i ricercatori del MIT e della Penn State hanno trovato un modo per produrre tali fili in quantità in un modo altamente controllato che potrebbe essere scalato fino a un processo su scala industriale, potenzialmente conducendo ad applicazioni commerciali pratiche.
Altri modi per realizzare tali fili sono già noti, e diversi ricercatori hanno prodotto prototipi di celle solari ricavate da esse. Ma questi metodi hanno gravi limiti, dice Tonio Buonassisi, Professore di ingegneria meccanica al MIT e coautore di un articolo sul nuovo lavoro che è stato recentemente pubblicato online sulla rivista Piccolo , e apparirà presto nell'edizione cartacea. La maggior parte richiede diversi passaggi di produzione aggiuntivi, forniscono scarso controllo sulle dimensioni esatte e sulla spaziatura dei fili, e funzionano solo su superfici piane. Al contrario, il nuovo processo è semplice ma consente un controllo preciso delle dimensioni e della spaziatura dei fili, e potrebbe teoricamente essere fatto su qualsiasi tipo di curva, superficie 3D.
Si ritiene che i microfili siano in grado di raggiungere efficienze vicine a quelle delle celle solari convenzionali nella conversione della luce solare in elettricità, ma poiché i fili sono così piccoli, lo farebbero usando solo una piccola frazione della quantità di silicio costoso necessario per le celle convenzionali, ottenendo così potenzialmente importanti riduzioni dei costi.
Oltre al potenziale utilizzo dei microfili nelle celle solari, altri ricercatori hanno proposto modi in cui questi cavi microscopici potrebbero essere utilizzati per costruire nuovi tipi di transistor e circuiti integrati, così come elettrodi per batterie avanzate e alcuni tipi di dispositivi di monitoraggio ambientale. Affinché ognuna di queste idee sia pratica, però, ci deve essere un efficiente, metodo di produzione scalabile.
Il nuovo metodo prevede il riscaldamento e la contaminazione intenzionale della superficie di un wafer di silicio con rame, che si diffonde nel silicio. Quindi, quando il silicio si raffredda lentamente, il rame si diffonde formando goccioline sulla superficie. Quindi, quando viene posto in un'atmosfera di gas tetracloruro di silicio, i microfili di silicio iniziano a crescere verso l'esterno ovunque ci sia una goccia di rame sulla superficie. Il silicio nel gas si dissolve in queste goccioline di rame, e poi dopo aver raggiunto una concentrazione sufficiente inizia a precipitare sul fondo della gocciolina, sulla superficie di silicio sottostante. Questo accumulo di silicio si allunga gradualmente per formare microfili ciascuno di circa 10-20 micrometri (milionesimi di metro) di diametro, crescendo dalla superficie. L'intero processo può essere eseguito ripetutamente su una scala di produzione industriale, Buonassisi dice, o addirittura potrebbe essere potenzialmente adattato a un processo continuo.
La spaziatura dei fili è controllata dalle trame create sulla superficie - minuscole fossette possono formare centri per le goccioline di rame - ma la dimensione dei fili è controllata dalle temperature utilizzate per la fase di diffusione del processo. Così, a differenza di altri metodi di produzione, la dimensione e la distanza dei fili possono essere controllate indipendentemente l'una dall'altra, dice Buonassisi.
Questa nuova tecnica per la crescita di microfili può produrre trefoli molto lunghi rispetto al loro diametro. Il "cappuccio" arrotondato alla sommità del filo è una goccia di rame fuso, mentre il filo stesso è puro silicio. Immagine per gentile concessione di Tonio Buonassisi
Il lavoro svolto finora è solo una prova di principio, lui dice, e resta ancora molto lavoro da fare per trovare le migliori combinazioni di profili di temperatura, concentrazioni di rame e modelli di superficie per varie applicazioni, poiché il processo consente differenze di ordine di grandezza nella dimensione dei fili. Per esempio, resta da determinare quale spessore e spaziatura dei fili produca le celle solari più efficienti. Ma questo lavoro dimostra un potenziale per un tipo di cella solare basata su tali fili che potrebbe ridurre significativamente i costi, sia consentendo l'uso di gradi inferiori di silicio (cioè, meno raffinato), poiché il processo di crescita del filo aiuta a purificare il materiale, e utilizzandone quantità molto minori, poiché i fili minuscoli sono costituiti solo da una piccola frazione della quantità necessaria per i wafer di cristallo di silicio convenzionali. “Questo è ancora in una fase molto iniziale, "Buonassisi dice, perché nel decidere una configurazione per una simile cella solare "ci sono così tante cose da ottimizzare".
Michael Kelzenberg, uno studioso post-dottorato presso il California Institute of Technology che ha trascorso gli ultimi cinque anni a fare ricerche sui microfili di silicio, dice che mentre altri hanno usato la tecnica delle gocce di rame per far crescere i microfili, "Quello che è veramente nuovo qui è il metodo per produrre quelle goccioline di metallo liquido." Mentre altri hanno dovuto posizionare le goccioline di rame fuso sulla piastra di silicio, che richiedono passaggi di elaborazione aggiuntivi, “Buonassisi e i suoi colleghi hanno dimostrato che il metallo può essere diffuso in anticipo nel substrato di crescita, e attraverso un accurato riscaldamento e raffreddamento, le goccioline di metallo si formeranno effettivamente da sole, con la posizione e le dimensioni corrette”.
Kelzenberg aggiunge che il suo gruppo di ricerca ha recentemente dimostrato che le celle solari con microfili di silicio possono eguagliare l'efficienza delle tipiche celle solari commerciali di oggi. "Penso che la sfida più grande rimasta sia dimostrare che questa tecnica è più conveniente o comunque vantaggiosa rispetto ad altri metodi di produzione del metallo catalizzatore, "dice. Ma nel complesso, lui dice, alcune versioni della tecnologia dei microfili di silicio "hanno il potenziale per consentire una drastica riduzione dei costi" dei pannelli solari.
Il documento è stato co-autore di Vidya Ganapati '10, studente di dottorato David Fenning, assegnista di ricerca Mariana Bertoni, e specialista di ricerca Alexandria Fecych, tutto nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, e il ricercatore post-dottorato Chito Kendrick e il professor Joan Redwing della Pennsylvania State University. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la Chesonis Family Foundation e la National Science Foundation.
