211service.com
Sort silicium gør solceller billigere
En simpel kemisk behandling kunne erstatte dyre antireflekterende solcellebelægninger, hvilket reducerer omkostningerne ved krystallinske siliciumpaneler. Behandlingen, en et-trins dyk i et kemisk bad, skaber et stærkt antireflekterende lag af sort silicium på overfladen af siliciumwafers, og det ville kun koste øre pr. watt, siger forskere ved National Renewable Energy Laboratory (NREL). De har brugt det til at skabe sorte siliciumsolceller, der matcher effektiviteten af konventionelle siliciumceller på markedet.
Solen bliver sort: Disse to solceller blev fremstillet på en siliciumwafer behandlet for at skabe en antireflekterende sort siliciumoverflade. De sølvfarvede områder omkring cellerne har en anden farve, fordi det stærkt absorberende sorte lag er blevet ætset væk.
De krystallinske siliciumwafers, der bruges til at fremstille nutidens solceller, behandles for at skabe en tekstureret overflade, derefter belagt med et antireflekterende lag, normalt siliciumnitrid, ved hjælp af højvakuumprocesser. Dette ekstra lag øger værdien af en solcelle ved at forbedre dens effektivitet - det undertrykker refleksion, så flere fotoner faktisk kommer ind i siliciumwaferen i stedet for at hoppe af dens overflade, hvilket øger strømmen af elektricitet fra cellen. Men det ekstra lag øger også omkostningerne. Vi tror på, at det kan blive billigere, siger Howard Branz , ledende videnskabsmand i silicium materialer og enheder ved NREL. Selv med en belægning reflekterer siliciumsolceller af den bedste kvalitet typisk 3 procent af det lys, der rammer dem. Branzs laboratorium udvikler billige måder at skabe sort silicium på, som næsten ikke reflekterer lys.
Prototype solceller fremstillet hos NREL har den bedste effektivitet nogensinde rapporteret for sorte siliciumceller. Monokrystallinske siliciumceller med den sorte overflade og ingen yderligere antireflekterende belægning omdanner 16,8 procent af det lys, der rammer dem, til elektricitet, omtrent den samme effektivitet som en typisk krystallinsk siliciumsolcelle belagt med antireflekterende materiale. Den tidligere rekord for sorte siliciumceller var 13,9 procent.
For at erstatte de vakuumaflejringsprocesser, der bruges til at behandle overfladen af en siliciumwafer, udviklede Branz's laboratorium en kemisk proces, der kan udføres ved omgivende temperatur og tryk ved hjælp af udstyr, der allerede er på stedet på solpanelfabrikker. En wafer nedsænkes i et bad, der indeholder en vandopløsning af hydrogenperoxid, flussyre og chlorauric acid, som består af brint, klor og guld. Den lille mængde guld i syrebadet fungerer som en katalysator for kemiske reaktioner. Det er ikke klart præcist, hvad de kemiske reaktioner er, men de fører til dannelsen af guldnanopartikler, der borer nanohuller i forskellige dybder i waferen. Branz siger, at guldet kan genbruges igen og igen.
Denne ætseproces tager tre minutter ved stuetemperatur og mindre end et minut ved 40 ºC. Resultatet er en sort, meget absorberende siliciumwafer, hvis overflade er fyldt med små tunneler af varierende dybde. Porerne skaber en overflade uden skarpe kanter til at reflektere lyset, og variationen i deres dybde er nøglen, fordi længden af tunnelerne bestemmer, hvilken bølgelængde af lys det vil interagere med. Variation i tunnellængde gør det muligt for overfladen at fange et bredt spektrum af lys.
Flere grupper udvikler sort silicium til solceller og andre optiske enheder. Andre har brugt en flertrinsproces til at skabe silicium-tunnelreaktionerne, startende med at placere metalpartikler over overfladen af en wafer og derefter tilføje syrerne. Vi gør det i et enkelt, flydende trin, der overhovedet ikke kræver vakuumprocesser, siger Branz. Beverley, MA-baseret opstart SiOnyx bruger laserimpulser til at generere bittesmå kegler på siliciumoverflader. Deres formel for sort silicium skaber et andet materiale end NREL's, men med lignende egenskaber. Virksomhedens medstifter og principal videnskabsmand James Carey siger, at virksomheden håber at komme ind på markedet inden for et år. Carey vil ikke oplyse, hvilke fotovoltaiske effektivitetsgevinster SiOnyx har opnået ved hjælp af sin proces.
De bade, der bruges i nutidens fabrikker til at rense solceller mellem ætsningstrinene, kunne bruges til at skabe den sorte siliciumbelægning, siger Branz, hvilket betyder, at denne proces kan anvendes af producenter til meget lave omkostninger. Styrelsen har søgt patent på processen.