211service.com
Zwart silicium maakt zonnecellen goedkoper
Een eenvoudige chemische behandeling kan dure antireflecterende zonnecelcoatings vervangen, waardoor de kosten van kristallijne siliciumpanelen dalen. De behandeling, een eenstaps onderdompeling in een chemisch bad, creëert een sterk antireflecterende laag van zwart silicium op het oppervlak van siliciumwafels, en het zou slechts centen per watt kosten, zeggen onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL). Ze hebben het gebruikt om zonnecellen van zwart silicium te maken die de efficiëntie van conventionele siliciumcellen op de markt evenaren.
Zonne-energie wordt zwart: Deze twee zonnecellen zijn vervaardigd op een siliciumwafel die is behandeld om een antireflecterend zwart siliciumoppervlak te creëren. De zilverachtige gebieden rond de cellen hebben een andere kleur omdat de sterk absorberende zwarte laag is weggeëtst.
De kristallijne siliciumwafels die worden gebruikt om de huidige zonnecellen te maken, worden behandeld om een gestructureerd oppervlak te creëren en vervolgens bedekt met een antireflecterende laag, meestal siliciumnitride, met behulp van hoogvacuümprocessen. Deze extra laag verhoogt de waarde van een zonnecel door de efficiëntie te verbeteren - het onderdrukt reflectie, zodat meer fotonen daadwerkelijk de siliciumwafel binnendringen in plaats van van het oppervlak te stuiteren, waardoor de stroom van elektriciteit uit de cel toeneemt. Maar de extra laag draagt ook bij aan de kosten. Wij geloven dat het goedkoper kan, zegt Howard Branz , hoofdwetenschapper in siliciummaterialen en -apparaten bij NREL. Zelfs met een coating reflecteren de siliciumzonnecellen van de beste kwaliteit doorgaans 3 procent van het licht dat erop valt. Het laboratorium van Branz ontwikkelt goedkope manieren om zwart silicium te maken, dat bijna geen licht reflecteert.
Prototype zonnecellen gemaakt bij NREL hebben de beste efficiëntie ooit gerapporteerd voor zwarte siliciumcellen. Monokristallijne siliciumcellen met het zwarte oppervlak en zonder extra antireflectiecoating zetten 16,8 procent van het licht dat erop valt om in elektriciteit, ongeveer dezelfde efficiëntie die wordt geboden door een typische zonnecel van kristallijn silicium die is gecoat met antireflecterend materiaal. Het vorige record voor zwarte siliciumcellen was 13,9 procent.
Om de vacuümdepositieprocessen te vervangen die worden gebruikt om het oppervlak van een siliciumwafel te behandelen, heeft het laboratorium van Branz een chemisch proces ontwikkeld dat kan worden uitgevoerd bij omgevingstemperatuur en -druk met behulp van apparatuur die al aanwezig is in zonnepaneelfabrieken. Een wafel wordt ondergedompeld in een bad met een waterige oplossing van waterstofperoxide, fluorwaterstofzuur en chloorgoudzuur, dat bestaat uit waterstof, chloor en goud. De kleine hoeveelheid goud in het zuurbad fungeert als katalysator voor chemische reacties. Het is niet precies duidelijk wat de chemische reacties zijn, maar ze leiden tot de vorming van gouden nanodeeltjes die nanogaatjes op verschillende diepten in de wafel boren. Branz zegt dat het goud keer op keer kan worden hergebruikt.
Dit etsproces duurt drie minuten bij kamertemperatuur en minder dan een minuut bij 40 ºC. Het resultaat is een zwarte, zeer absorberende siliciumwafel waarvan het oppervlak bezaaid is met kleine tunnels van verschillende diepten. De poriën creëren een oppervlak zonder scherpe randen om het licht te reflecteren, en de variatie in hun diepte is de sleutel, omdat de lengte van de tunnels bepaalt met welke golflengte van het licht het zal interageren. Door variatie in tunnellengte kan het oppervlak een breed spectrum aan licht opvangen.
Verschillende groepen ontwikkelen zwart silicium voor zonnecellen en andere optische apparaten. Anderen hebben een meerstapsproces gebruikt om de siliciumtunnelreacties te creëren, te beginnen door metaaldeeltjes over het oppervlak van een wafel te plaatsen en vervolgens de zuren toe te voegen. We doen het in een enkele, vloeibare stap waarvoor helemaal geen vacuümprocessen nodig zijn, zegt Branz. Opstarten in Beverley, MA SiOnyx gebruikt laserpulsen om kleine kegeltjes op siliciumoppervlakken te genereren. Hun formule voor zwart silicium creëert een ander materiaal dan NREL's, maar met vergelijkbare eigenschappen. Medeoprichter en principewetenschapper van het bedrijf James Carey zegt dat het bedrijf binnen een jaar op de markt hoopt te komen. Carey wil niet onthullen welke fotovoltaïsche efficiëntie SiOnyx heeft bereikt met zijn proces.
De baden die tegenwoordig in fabrieken worden gebruikt om zonnecellen tussen de etsstappen te reinigen, kunnen worden gebruikt om de zwarte siliconencoating te maken, zegt Branz, wat betekent dat dit proces door fabrikanten tegen zeer lage kosten kan worden toegepast. Het bureau heeft patenten aangevraagd op het proces.