211service.com
Svart kisel gör solcellerna billigare
En enkel kemisk behandling skulle kunna ersätta dyra antireflekterande solcellsbeläggningar och sänka kostnaderna för kristallina kiselpaneler. Behandlingen, ett ettstegsdopp i ett kemiskt bad, skapar ett mycket antireflekterande lager av svart kisel på ytan av kiselwafers, och det skulle kosta bara ören per watt, säger forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL). De har använt det för att skapa svarta kiselsolceller som matchar effektiviteten hos konventionella kiselceller på marknaden.
Solen blir svart: Dessa två solceller tillverkades på en kiselskiva behandlad för att skapa en antireflekterande svart kiselyta. De silverfärgade områdena runt cellerna har en annan färg eftersom det mycket absorberande svarta lagret har etsat bort.
De kristallina kiselskivorna som används för att tillverka dagens solceller behandlas för att skapa en texturerad yta och beläggs sedan med ett antireflekterande skikt, vanligtvis kiselnitrid, med hjälp av högvakuumprocesser. Detta extra lager ökar värdet på en solcell genom att förbättra dess effektivitet - det undertrycker reflektion så att fler fotoner faktiskt kommer in i kiselskivan istället för att studsa från dess yta, vilket ökar flödet av elektricitet från cellen. Men det extra lagret ökar också kostnaden. Vi tror att det kan bli billigare, säger Howard Branz , huvudforskare inom kiselmaterial och -anordningar vid NREL. Även med en beläggning reflekterar de bästa kiselsolcellerna vanligtvis 3 procent av ljuset som träffar dem. Branz labb utvecklar billiga sätt att skapa svart kisel, som nästan inte reflekterar ljus.
Prototypsolceller tillverkade vid NREL har den bästa effektiviteten som någonsin rapporterats för svarta kiselceller. Monokristallina kiselceller med den svarta ytan, och ingen ytterligare antireflekterande beläggning, omvandlar 16,8 procent av ljuset som träffar dem till elektricitet, ungefär samma effektivitet som en typisk kristallin kiselsolcell belagd med antireflekterande material. Det tidigare rekordet för svarta kiselceller var 13,9 procent.
För att ersätta de vakuumavsättningsprocesser som används för att behandla ytan på en kiselskiva, utvecklade Branzs labb en kemisk process som kan utföras vid omgivningstemperatur och tryck med hjälp av utrustning som redan finns på plats i solpanelsfabriker. En wafer är nedsänkt i ett bad som innehåller en vattenlösning av väteperoxid, fluorvätesyra och klorourinsyra, som består av väte, klor och guld. Den lilla mängden guld i syrabadet fungerar som en katalysator för kemiska reaktioner. Det är inte klart exakt vad de kemiska reaktionerna är, men de leder till bildandet av guldnanopartiklar som borrar nanohål på olika djup i skivan. Branz säger att guldet kan återanvändas om och om igen.
Denna etsning tar tre minuter vid rumstemperatur och mindre än en minut vid 40 ºC. Resultatet är en svart, mycket absorberande kiselskiva vars yta är full av små tunnlar med varierande djup. Porerna skapar en yta utan vassa kanter för att reflektera ljuset, och variationen i deras djup är nyckeln, eftersom tunnlarnas längd avgör vilken ljusvåglängd den kommer att interagera med. Variation i tunnellängd gör att ytan kan fånga ett brett spektrum av ljus.
Flera grupper utvecklar svart kisel för solceller och andra optiska enheter. Andra har använt en flerstegsprocess för att skapa kiseltunnelreaktioner, börjat med att placera metallpartiklar över ytan på en wafer och sedan lägga till syrorna. Vi gör det i ett enda flytande steg som inte kräver några vakuumprocesser alls, säger Branz. Beverley, MA-baserad startup SiOnyx använder laserpulser för att generera små koner på silikonytor. Deras formel för svart kisel skapar ett annat material än NRELs, men med liknande egenskaper. Bolagets grundare och huvudforskare James Carey säger att företaget hoppas komma in på marknaden inom ett år. Carey vill inte avslöja vilken solcellseffektivitet SiOnyx har uppnått med sin process.
De bad som används i dagens fabriker för att rengöra solceller mellan etsningsstegen skulle kunna användas för att skapa den svarta kiselbeläggningen, säger Branz, vilket innebär att denna process kan användas av tillverkare till mycket låg kostnad. Myndigheten har ansökt om patent på processen.