Posted in | Nanoenergy

De Nieuwe Goedkope Techniek die van de Ets Gaten Triljoen in het Wafeltje van het Silicium Zetten

Published on September 3, 2010 at 7:35 PM

Een nieuwe goedkope die etstechniek bij het Laboratorium van de Vernieuwbare Energie van het Ministerie van de V.S. van Energie Nationale kan wordt ontwikkeld gaten triljoen in een siliciumwafeltje zetten de grootte van een compact disc.

Aangezien de uiterst kleine gaten verdiepen, maken zij donkerder en donkerder het zilverachtig-grijze silicium lijken tot het bijna zuivere zwart en bekwaam wordt om bijna alle kleuren van licht te absorberen de zon bij het werpt.

Bij kamertemperatuur, kan het zwarte siliciumwafeltje in ongeveer drie minuten worden gemaakt. Bij 100 graden van F, kan het in een minder dan minuut worden gemaakt.

De doorbraak door NREL wetenschappers zal die waarschijnlijk leiden tot goedkopere die zonnecellen die niettemin efficiënter zijn dan de op daken en in zonneseries vandaag worden gebruikt.

Het r&d- Tijdschrift kende onlangs het NREL team één van zijn R&D 100 toekenning toe voor Zwart Silicium Wet-Chemical Nanocatalytic Etsen. Genoemd „Oscars van Uitvinding,“ de toekenning van R&D 100 erkent de meest significante wetenschappelijke doorbraken van het jaar.

Howard Branz, de belangrijkste onderzoeker voor het project, zei zijn team gekregen in eind 2006 interessant nadat hij een bespreking door een wetenschapper van de Technische Universiteit van München hoorde. De wetenschapper beschreef hoe zijn team zwart silicium door een dunne gouden laag te bepalen gebruikend een vacuümdepositotechniek had gecreeerd. Snel, NREL gaven de hogere wetenschapper Qi Wang en de hogere Afdeling van ingenieursScott het een poging.

„Wij berijden altijd op de schouders van anderen,“ bovengenoemde Branz. „Wij begonnen door het experiment van München te herhalen.“

Pakketten van Lichte, Gouden Gaten
Denk aan licht zoals komend in kleine pakketten. Elk pakket is een foton, dat potentieel in een elektron voor zonne-energie kan worden veranderd. Als het foton van de oppervlakte van een zonnecel stuitert, die verloren energie is. Enkele licht stuitert normaal weg wanneer het een voorwerp raakt, maar een „zwart silicium“ wafeltje zal al licht absorberen dat het raakt.

Het menselijke oog neemt het wafeltje waar zwart omdat bijna geen zonlicht terug naar de retina nadenkt. En dat is omdat gaten triljoen in de oppervlakte van het wafeltje een veel beter werk van het absorberen van de golflengten van licht doen dan een stevige oppervlakte.

Het is ruwweg de zelfde reden dat de plafondtegels met gaten in hen correcte beter dan plafondtegels zonder gaten absorberen. Wetenschappers door recent - 19 de Theeuw had reeds experimenten doen aantonen dat welk werk voor het absorberen van geluid ook voor het absorberen van licht werkt.

Het team van München gebruikte verdampingstechnieken die dure vacuümpompen vereisen om een zeer dunne laag van goud te bepalen, misschien 10 atomen dik, bovengenoemde Branz. Toen een mengsel van waterstofperoxyde en hydrofluoric zuur op de dunne gouden laag werd gegoten, nanoparticles van goud bored in de vlotte oppervlakte die van het wafeltje, miljarden gaten maken.

Het team NREL wist rechtsweg dat de vacuümpompen en de verdampingsapparatuur nodig om het goud te deponeren te duur om waren commercieel haalbaar te worden.

Het Doel van NREL: Vereenvoudig het Lagere Proces, de Kosten
„Onze denken was dat als het doel het goedkoper te maken is, wij vacuümdeposito willen vermijden volledig,“ bovengenoemde Branz.

In een koord van buitenkant-de-doos inzicht met wat serendipity wordt gecombineerd, vereenvoudigden de Afdeling van Branz en van collega'sScott, Vern Yost en Anna Duda zeer dat proces dat.

Eerder dan het leggen van het goud met vacua en pompen, waarom bespuit het niet alleen? Voorgestelde Afdeling.

Eerder dan het in lagen aanbrengen van het goud en dan het toevoegen van het zuurrijke mengsel, waarom niet meng samen van bij het begin het allen? Voorgestelde Dada.

In combinatie, leverden die twee suggesties nog betere resultaten op.

De wetenschappers zetten een opgeschorte oplossing van goud nanoparticles, genoemd colloïdaal goud, op de siliciumoppervlakte, en laten het water 's nachts verdampen om enkel het goud te verlaten, dat toen in het wafeltje etste. Wafeltje gedraaide bijna zo zwart zoals met het verdampte goud.

Een Gelukkig Ongeval
En toen, zoals vaak het geval met belangrijke wetenschappelijke doorbraken is, ingegaan serendipity.

De technicus NREL en de chemicus Vern Yost merkten na een tijd op dat hij dergelijke goede resultaten niet kreeg, en veronderstelden het was omdat een oude partij colloïdale nanoparticles op de een of andere manier samen had samengedaan. Zo probeerde hij om hen met aqua regia, een hoogst corrosief mengsel van salpeterzuur en hydrochloric zuur te scheiden. Het Aqua regia is Latijns voor vorstelijk water, en verwijst naar een vloeistof die de koninklijke metalen zoals zilveren en gouden kan oplossen.

De aqua regiabehandeling kreeg het proces werkend dan beter ooit, en wat onderzoek vond dat het aqua regia met het goud had gereageerd om een oplossing van chloroauric zuur te vormen.

Voila! Het zuur van Chloroauric is minder duur dan colloïdaal goud en eigenlijk is de chemische voorloper die de industrie gebruikt om colloïdaal goud te maken.

Kon het zelfde resultaat van de zwart-siliciumets door het goedkope chloroauric zuur voor duur colloïdaal goud, dan het zoals voordien met waterstofperoxyde en hydrofluoric zuur te mengen te substitueren en worden bereikt? Benieuwd geweeste Yost en Branz.

Ja, werkte het. „Het zuur Chloroauric is veel goedkoper dan colloïdaal goud,“ bovengenoemde Branz. „In wezen, door een paar stappen over te slaan, konden zij nanoparticles van het chloroauric zuur gouden maken terzelfdertijd als zij gaten in het silicium met het goud etsten dat zij.“ hadden gemaakt

Zodra het concept werd begrepen en de mengeling van materialen opgelost, het daadwerkelijke werd maken van een zwart siliciumwafeltje vrij eenvoudig.

„U neemt een beker, brengt een siliciumwafeltje aan, giet in het chloroauric zuur, giet in het hydrofluoric zuur en de waterstofperoxyde, en wacht,“ bovengenoemde Branz.

Zo weinig zoals 20 later seconden, het zilverachtige siliciumwafeltje zwart wordt.

„Onze methode geeft een zwarter silicium en zou een duur vacuümdepositosysteem met enig vervangen, goedkoop, nat ets stap,“ bovengenoemde Branz.

Het Goedkopere Proces Maakt Ook een Beter Materiaal
Zij testten hun zwart silicium en vonden dat het veel-laag-kostenrecept die chloroauric zuur bevatten snel de ongewenste bezinning tot minder dan 2 percenten verminderde. De duurdere benadering die conventionele anti-reflection van het siliciumnitride lagen gebruiken blokkeerde uit bij ongeveer 3 tot 7 percenten bezinnings. Als toegevoegde bonus, verhindert het zwarte silicium weerspiegeling van laag-hoekochtend en middagzonlicht veel dan beter de conventionele antireflection laag.

Om te begrijpen waarom hun goedkope die benadering zo goed werkte, het team in NREL optica deskundige en hogere wetenschapper Paul Stradins en NREL elektronenmicroscopists Bobby wordt gebracht Aan en Kim Jones. Het trio vond dat het zwarte silicium bezinning zo goed verpletterde omdat de gaten kleiner waren in diameter dan de zonnegolflengten.

dat is essentieel, omdat als de gaten zoals deze lichte golflengten zo groot waren, de lichte stralen een „scherpe interface zouden erkennen,“ enkel zoals zij als zij een roestvrij staalteller ontmoetten. Om Het Even Welke scherpe interface veroorzaakt het licht van de zon om van de oppervlakte na te denken alvorens het kan de zonnecel ingaan en in elektriciteit worden veranderd.

Een Andere reden het zonlicht voelt nooit een scherpe interface wanneer het het silicium is dat al die triljoenen gaten aan verschillende diepten bored zijn, wegens de willekeur van etst tarief van elke nanoparticle raakt. Wegens de veranderlijke diepten van de gaten, bewegen de stralen zich zeer geleidelijk aan van lucht aan silicium. Het licht ontmoet nooit een abrupte verandering van lucht in stevige oppervlakte, zodat stuitert het niet van het wafeltje.

Maar zal het in een Zonnecel Werken?
Daarna was de formidabele uitdaging van het gebruiken van de technologie om een uitvoerbare zonnecel te maken.

De hao-chi Yuan, een post-doctorale onderzoeker, werd toegevoegd aan het team om hoe het best te weten te komen om dit nieuwe soort silicium in een zonnecel te werken, maakt de zonnecellen en bepaalt de sterke punten en de zwakheden van dit nieuwe soort cel. Yuan, samen met Yost, Branz en NREL ingenieur Matthew Page werkte om de ideale diepten en de diameters van de gaten te bepalen als het doel fotonen in elektronen te veranderen is.

Om een zonnecel bij of dichtbij het verslag te houden het tarief van de 16.8 percentenefficiency dat zij hadden bereikt, realiseerden zij de gaten het principe moesten aanhangen „Goldilocks“. De gaten moeten „“ enkel juist zijn: diep genoeg om bezinningen te blokkeren, maar niet zo diep dat zij de zonnecel bederven.

Specifiek, vonden zij de beste resultaten voorkwamen toen de triljoenen gaten op gemiddelde over 500 nanometers of de helft van een diep micron waren, en hun diameters enkel een kleine bit smaller dan de kleinste golflengte van licht. (Hoe klein? De samen toegevoegde diameter van 40 gaten, zou de dikte van een menselijk haar. zijn)

Als de gaten veel dieper waren, zou de zonnecel probleem uit trekkend alle solar-generated elektronen hebben. De Efficiency zou niemand zou willen zo laag zijn de cellen op hun dak zetten.

Gelukkig, kan die combinatie van diepte en diameter met een minuut worden bereikt 3 nat-etst doorweekt bij kamertemperatuur.

Scherp Geïnteresseerde Industrie
Hoewel zij goedkoper zullen zijn om te vervaardigen, zijn de beste zonnecellen van NREL nog een paar tienden van een percent minder efficiënt dan het conventionele type. Maar de lage bezinning betekent een sprong in photovoltaic efficiency van minstens 1 procentpunt zou kunnen worden bereikt. Het team werkt nog om een bit te ontrukken meer efficiency van de zwarte siliciumcellen. De zonnecelwereld is een spel van duim geworden, bovengenoemde Branz, zodat „zelfs zou de helft van een procentpuntbuil in efficiency aan lagere kosten.“ reusachtig zijn

De bedrijven van de Zonnecel zijn geinteresseerd in het verlenen van vergunningen van de technologie van NREL.

„Wij hebben verscheidene bedrijven gehad hier komen bezoek meer over het leren,“ Chris Harris, verwante directeur van verlenen van vergunningen in de introductie op de markt van NREL en de afdeling van de technologieoverdracht, zei. De „rente is hoog.

„Dit is zeker een significant voordeel in de industrie waar iedereen voor marktaandeel concurreert en de kosten per watts een zeer belangrijke verkopende eigenschap zijn,“ toegevoegd Harris. Het „Zwarte silicium levert een toegevoegd voordeel bovenop een andere verbeteringen van efficiency op een bedrijf kan krijgen.“

Al Goodrich, een hogere kostenanalist voor PV die van NREL afdeling vervaardigen, vond dat het maken van de zwarte siliciumwafeltjes over een derde minder energie dan toevoegend de conventionele anti-reflection laag aan de gebeëindigde zonnecel vereist.

Het éénfasige proces ook is een gemakkelijker op het milieu.

De technologie zou een proces dat gevaarlijk silaangas gebruiken, evenals schoonmakende gassen zoals stikstoftrifluoride vervangen, dat 17.000 keer meer stempel dan kooldioxide in het bijdragen tot het globale verwarmen heeft. Een schakelaar aan het zwarte natte silicium etst technologie zou betekenen reusachtige verminderingen van broeikasgassen, en verbeteringen van de energieterugbetaling voor resulterende PV apparaten. Het drukt ook kapitaaluitgde om een fabriekslijn door ongeveer 10 percenten te beginnen, omdat het verscheidene dure vacuümdamphulpmiddelen met een eenvoudig nat bad vervangt, bovengenoemde Goodrich.

NREL schat dat het zwarte silicium de kosten van de celomzetting door 4 tot 8 percenten kan drukken, terwijl het gebruiken wijd - beschikbare industriële materialen en uitrusting.

„Dat is groot,“ toegevoegde Goodrich. De „mensen die in deze technologie geinteresseerd zijn erkennen dat dat verschil waardevolle onroerende goederen.“ is

Last Update: 12. January 2012 03:51

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit