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MIT- und Penn- StateForscher Kennzeichnen Neue Methode, um Silikon Microwires Zu Produzieren

Published on February 5, 2011 at 6:09 AM

Microwires machte vom Silikon - kleine Kabel mit einer Stärke vergleichbar mit einem Menschenhaar - haben eine große Auswahl des möglichen Gebrauches, einschließlich die Produktion von Solarzellen, die viel mehr Sonnenlicht für eine gegebene Menge Material als eine herkömmliche Solarzelle ernten können, die von einem dünnen Wafer des Siliziumkristalls gemacht wird.

Jetzt Forscher von MIT und von Penn State haben eine Methode des Produzierens solcher Kabel in der Menge auf eine in hohem Grade esteuerte Art gefunden, die bis zu einem Prozess eingestuft werden könnte auf industrieller Ebene, möglicherweise führend zu den praktischen kommerziellen Anwendungen.

„Flüssige Tröpfchen des Kupfers lösen oben Silikon aus einem umgebenden Silikon-reichen Gas heraus und die Silikonniederschläg an der Unterseite des Absinkens, um ein auf Silikon microwire dann heraus allmählich aufzubauen. Dieses Mikroskopbild hat die Farbe gehabt, die für Klarheit hinzugefügt wird. Bildhöflichkeit von Tonio Buonassisi“

Andere Methoden der Herstellung solcher Kabel bekannt bereits, und Prototypen von den Solarzellen, die von ihnen gemacht werden, sind von einigen Forschern produziert worden. Aber diese Methoden haben ernste Beschränkungen, sagen Tonio Buonassisi, MITprofessor des Maschinenbaus und einen Mitverfasser eines Papiers auf dem neuen Werk, das vor kurzem online im Kleinen Zapfen veröffentlicht wurde, und werden bald in der Druckausgabe erscheinen. Die Meisten benötigen einige Extraherstellungsschritte, liefern wenig Regelung über den genauen Größen und dem Abstand der Kabel und arbeiten nur an Planum. Durch Kontrast ist der neue Prozess, einfach dennoch erlaubt genaue Regelung über den Kabelabmessungen und -abstand und könnte auf irgendeiner Art gebogene, 3-D Oberfläche theoretisch getan werden.

Microwires sind wahrscheinlich zum Erreichen von Leistungsfähigkeit nah an denen von herkömmlichen Solarzellen fähig, wenn er Sonnenlicht in Strom konvertiert, aber, weil die Kabel so klein sind, würden sie so unter Verwendung nur eines kleinen Bruches der Menge des teuren Silikons benötigt für die herkömmlichen Zellen tun und so möglicherweise erzielen würden bedeutende Reduzierungen in den Kosten.

Zusätzlich zu den microwires' hat möglicher Gebrauch in den Solarzellen, andere Forscher vorgeschlagen, dass Methoden solche mikroskopischen Kabel verwendet werden konnten, um neue Arten von Transistoren und integrierte Schaltungen sowie Elektroden für hoch entwickelte Batterien aufzubauen und bestimmte Arten von Umweltüberwachungseinheiten. Damit irgendwelche Ideen jedoch praktisch sind muss es eine effiziente, ersteigbare Produktionsmethode geben.

Die neue Methode bezieht, die Oberfläche mit ein einer Siliziumscheibe mit Kupfer zu heizen und absichtlich zu verunreinigen, das in das Silikon diffundiert. Dann wenn das Silikon langsam abkühlt, diffundiert das Kupfer heraus, um Tröpfchen auf der Oberfläche zu bilden. Dann wenn es in eine Atmosphäre des Silikontetrachloridgases gelegt wird, fangen Silikon microwires an, wohin nach außen zu wachsen, es ein kupfernes Tröpfchen auf der Oberfläche gibt. Silikon im Gas löst sich in diese kupfernen Tröpfchen auf, und dann, nachdem sie erreicht hat, fängt eine genügende Konzentration an, an der Unterseite des Tröpfchens, auf die Silikonoberfläche unten heraus auszufällen. Diese Ansammlung des Silikons verlängert allmählich, um microwires jedes herüber zu bilden nur ungefähr 10 bis 20 Mikrometer (millionths eines Meters) wächst von der Oberfläche heran. Der ganze Prozess kann auf einer industriellen Herstellungsschuppe wiederholt durchgeführt werden, sagt Buonassisi oder sogar könnte einem dynamischen Prozess möglicherweise angepasst werden.

Der Abstand der Kabel wird durch die Beschaffenheiten gesteuert, die auf der Oberfläche - kleine Grübchen erstellt werden, kann Mitten für die kupfernen Tröpfchen bilden - aber die Größe der Kabel wird durch die Temperaturen gesteuert, die für die Diffusionsstufe des Prozesses verwendet werden. So anders als in anderen Produktionsverfahren, können die Größe und der Abstand der Kabel unabhängig einander esteuert sein, sagt Buonassisi.

Die Arbeit, die bis jetzt erledigt wird, ist gerade ein Beweis des Prinzips, sagt er, und mehr Arbeit bleibt erledigt zu werden, um die besten Kombinationen von Temperaturverläufen, von kupfernen Konzentrationen und von Oberflächenstrukturierung für verschiedene Anwendungen zu finden, da der Prozess Ordnung-vongröße Unterschiede bezüglich der Größe der Kabel zulässt. Zum Beispiel bleibt sie bestimmt zu werden, welche Stärke und Abstand von Kabeln die effizientsten Solarzellen produziert. Aber diese Arbeit zeigt ein Potenzial für eine Art Solarzelle basiert auf solchen Kabeln, die beträchtlich geringere Kosten konnten, beide, indem sie den Gebrauch von Unterstufen des Silikons (das heißt, less-highly verfeinert) erlaubt, da der Prozess des Kabelwachstums hilft, das Material zu reinigen, und indem sie viel etwas von ihr verwendet, da die kleinen Kabel gerade einen kleinen Bruch der Menge bestehen, die für herkömmliche Siliziumkristallwafers benötigt wird. „Dieses ist noch in einem sehr Anfangsstadium,“ sagt Buonassisi, weil, bei der Entscheidung auf einer Konfiguration für solch eine Solarzelle „es so viele zu optimieren gibt Sachen.“

Michael Kelzenberg, ein Habilitationsgelehrter an der California Institute Of Technology, das die letzten fünf Jahre Forschung auf Silikon microwires tuend verbracht hat, sagt, dass, während andere die Kupfertröpfchen Technik für das Wachsen von microwires verwendet haben, „Was ist wirklich neu ist hier die Methode des Produzierens jener flüssigen Metalltröpfchen.“ Während andere die Tröpfchen des flüssigen Kupfers auf die Silikonplatte haben legen gemusst, Verarbeitungsschritte der Extrakosten benötigend, „Buonassisi und seine Kollegen haben gezeigt, dass Metall in die Wachstumssubstratfläche vorher zerstreut werden kann und durch vorsichtige Heizung und das Abkühlen, die Metalltröpfchen bilden sich wirklich auf ihren Selbst - mit der korrekten Stellung und der Größe.“

Kelzenberg fügt hinzu, dass seine Forschungsgruppe vor kurzem gezeigt hat, dass Silikon microwire Solarzellen der Leistungsfähigkeit von heutigen typischen kommerziellen Solarzellen entsprechen können. „Ich denke, dass das größte Herausforderungsbleiben, dass diese Technik kosteneffektiver oder andernfalls nützlich als andere Katalysatormetallproduktionsverfahren ist,“ ihn zu zeigen sagt ist. Aber Gesamt, sagt er, hat irgendeine Version von Silikon microwire Technologie „das Potenzial, drastische Kostenaufstellung“ von Sonnenkollektoren zu aktivieren.

Das Papier wurde von Vidya Ganapati' 10, vom Doktoranden David Fenning, vom promovierten wissenschaftlichem Mitarbeiter Mariana Bertoni und vom Forschungsspezialisten Alexandria Fecych, alles in Abteilung MITS des Maschinenbaus und im Habilitationsforscher Chito Kendrick und Professor Joan Redwing der Staat Pennsylvania-Universität mit-geschrieben. Die Arbeit wurde durch das US-Energieministerium, die Chesonis-Familien-Basis und die National Science Foundation unterstützt.

Quelle: http://web.mit.edu/

Last Update: 11. January 2012 10:50

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