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Schwarzes Silizium macht Solarzellen billiger
Eine einfache chemische Behandlung könnte teure Antireflexbeschichtungen von Solarzellen ersetzen und die Kosten für kristalline Siliziumplatten senken. Die Behandlung, ein einstufiges Eintauchen in ein chemisches Bad, erzeugt eine stark entspiegelte Schicht aus schwarzem Silizium auf der Oberfläche von Siliziumwafern und würde nur wenige Cent pro Watt kosten, sagen Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL). Sie haben daraus schwarze Siliziumsolarzellen hergestellt, die der Effizienz herkömmlicher Siliziumzellen auf dem Markt entsprechen.
Solar wird schwarz: Diese beiden Solarzellen wurden auf einem Siliziumwafer hergestellt, der behandelt wurde, um eine antireflektierende schwarze Siliziumoberfläche zu erzeugen. Die silbrigen Bereiche um die Zellen herum haben eine andere Farbe, weil die stark absorbierende schwarze Schicht weggeätzt wurde.
Die kristallinen Siliziumwafer der heutigen Solarzellen werden zu einer strukturierten Oberfläche behandelt und anschließend im Hochvakuum mit einer Antireflexschicht, meist Siliziumnitrid, beschichtet. Diese zusätzliche Schicht erhöht den Wert einer Solarzelle, indem sie ihren Wirkungsgrad verbessert – sie unterdrückt die Reflexion, sodass mehr Photonen tatsächlich in den Siliziumwafer eintreten, anstatt von seiner Oberfläche abzuprallen, wodurch der Stromfluss aus der Zelle erhöht wird. Aber die zusätzliche Schicht erhöht auch die Kosten. Wir glauben, es kann billiger sein, sagt Howard Branz , leitender Wissenschaftler für Siliziummaterialien und -geräte am NREL. Selbst mit einer Beschichtung reflektieren die hochwertigsten Siliziumsolarzellen typischerweise 3 Prozent des auf sie einfallenden Lichts. Das Labor von Branz entwickelt kostengünstige Möglichkeiten, schwarzes Silizium herzustellen, das fast kein Licht reflektiert.
Am NREL hergestellte Prototyp-Solarzellen haben den besten Wirkungsgrad, der jemals für schwarze Siliziumzellen gemeldet wurde. Monokristalline Siliziumzellen mit schwarzer Oberfläche und ohne zusätzliche Antireflexbeschichtung wandeln 16,8 Prozent des auf sie einfallenden Lichts in Strom um. Der bisherige Rekord für schwarze Siliziumzellen lag bei 13,9 Prozent.
Um die Vakuumabscheidungsverfahren zu ersetzen, die zur Behandlung der Oberfläche eines Siliziumwafers verwendet werden, entwickelte das Labor von Branz einen chemischen Prozess, der bei Umgebungstemperatur und -druck mit Geräten durchgeführt werden kann, die bereits in Solarmodulfabriken vor Ort sind. Ein Wafer wird in ein Bad getaucht, das eine wässrige Lösung aus Wasserstoffperoxid, Flusssäure und Chlorgoldsäure enthält, die aus Wasserstoff, Chlor und Gold besteht. Der geringe Goldanteil im Säurebad wirkt als Katalysator für chemische Reaktionen. Es ist nicht genau klar, was die chemischen Reaktionen sind, aber sie führen zur Bildung von Gold-Nanopartikeln, die Nanolöcher in unterschiedlichen Tiefen in den Wafer bohren. Branz sagt, dass das Gold immer wieder verwendet werden kann.
Dieser Ätzprozess dauert bei Raumtemperatur drei Minuten und bei 40 °C weniger als eine Minute. Das Ergebnis ist ein schwarzer, hochabsorbierender Siliziumwafer, dessen Oberfläche von winzigen Tunneln unterschiedlicher Tiefe durchzogen ist. Die Poren erzeugen eine Oberfläche ohne scharfe Kanten, um das Licht zu reflektieren, und die Variation ihrer Tiefe ist entscheidend, da die Länge der Tunnel bestimmt, mit welcher Wellenlänge des Lichts sie interagieren. Durch die Variation der Tunnellänge kann die Oberfläche ein breites Lichtspektrum einfangen.
Mehrere Gruppen entwickeln schwarzes Silizium für Solarzellen und andere optische Geräte. Andere haben einen mehrstufigen Prozess verwendet, um die Silizium-Tunneling-Reaktionen zu erzeugen, indem sie zunächst Metallpartikel über die Oberfläche eines Wafers platzierten und dann die Säuren hinzufügten. Wir machen das in einem einzigen, flüssigen Schritt, der ganz ohne Vakuumprozesse auskommt, sagt Branz. Beverley, MA-basiertes Startup SiOnyx nutzt Laserpulse, um winzige Kegel auf Siliziumoberflächen zu erzeugen. Ihre Formel für schwarzes Silizium erzeugt ein anderes Material als die von NREL, jedoch mit ähnlichen Eigenschaften. Firmenmitgründer und Principal Scientist James Carey sagt, das Unternehmen hofft, innerhalb eines Jahres in den Markt einzutreten. Carey wollte nicht verraten, welche Photovoltaik-Effizienz SiOnyx mit seinem Verfahren erreicht hat.
Die Bäder, die heute in Fabriken zur Reinigung von Solarzellen zwischen den Ätzschritten verwendet werden, könnten für die schwarze Siliziumbeschichtung verwendet werden, sagt Branz, wodurch dieses Verfahren von den Herstellern zu sehr geringen Kosten übernommen werden könnte. Die Behörde hat das Verfahren zum Patent angemeldet.