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Il silicio nero rende le celle solari più economiche
Un semplice trattamento chimico potrebbe sostituire i costosi rivestimenti antiriflesso delle celle solari, abbassando il costo dei pannelli in silicio cristallino. Il trattamento, un'immersione in un solo passaggio in un bagno chimico, crea uno strato altamente antiriflesso di silicio nero sulla superficie dei wafer di silicio e costerebbe solo pochi centesimi per watt, affermano i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL). L'hanno usato per creare celle solari al silicio nero che corrispondono all'efficienza delle celle al silicio convenzionali sul mercato.
Il solare diventa nero: Queste due celle solari sono state fabbricate su un wafer di silicio trattato per creare una superficie di silicio nero antiriflesso. Le aree argentate intorno alle celle sono di colore diverso perché lo strato nero altamente assorbente è stato inciso.
I wafer di silicio cristallino utilizzati per realizzare le celle solari odierne vengono trattati per creare una superficie strutturata, quindi rivestiti con uno strato antiriflesso, solitamente nitruro di silicio, utilizzando processi ad alto vuoto. Questo strato aggiuntivo aumenta il valore di una cella solare migliorando la sua efficienza: sopprime la riflessione in modo che più fotoni entrino effettivamente nel wafer di silicio invece di rimbalzare sulla sua superficie, aumentando il flusso di elettricità fuori dalla cella. Ma lo strato extra aggiunge anche alla spesa. Crediamo che possa essere più economico, dice Howard Branz , scienziato principale in materiali e dispositivi in silicio presso NREL. Anche con un rivestimento, le celle solari al silicio della migliore qualità riflettono in genere il 3% della luce che le colpisce. Il laboratorio di Branz sta sviluppando modi economici per creare silicio nero, che non riflette quasi la luce.
Le celle solari prototipo realizzate al NREL hanno la migliore efficienza mai riportata per le celle al silicio nero. Le celle in silicio monocristallino con la superficie nera e nessun rivestimento antiriflesso aggiuntivo convertono il 16,8% della luce che le colpisce in elettricità, circa la stessa efficienza offerta da una tipica cella solare in silicio cristallino rivestita con materiale antiriflesso. Il record precedente per le celle al silicio nero era del 13,9%.
Per sostituire i processi di deposizione sotto vuoto utilizzati per trattare la superficie di un wafer di silicio, il laboratorio di Branz ha sviluppato un processo chimico che può essere eseguito a temperatura e pressione ambiente utilizzando apparecchiature già presenti nelle fabbriche di pannelli solari. Un wafer viene immerso in un bagno contenente una soluzione acquosa di perossido di idrogeno, acido fluoridrico e acido cloroaurico, che è costituito da idrogeno, cloro e oro. La piccola quantità di oro nel bagno acido funge da catalizzatore per le reazioni chimiche. Non è chiaro esattamente quali siano le reazioni chimiche, ma portano alla formazione di nanoparticelle d'oro che perforano nanofori a diverse profondità nel wafer. Branz dice che l'oro può essere riutilizzato ancora e ancora.
Questo processo di incisione richiede tre minuti a temperatura ambiente e meno di un minuto a 40 ºC. Il risultato è un wafer di silicio nero altamente assorbente la cui superficie è crivellata di minuscoli tunnel di profondità variabile. I pori creano una superficie senza spigoli vivi per riflettere la luce e la variazione della loro profondità è fondamentale, perché la lunghezza dei tunnel determina con quale lunghezza d'onda della luce interagirà. La variazione della lunghezza del tunnel consente alla superficie di intrappolare un ampio spettro di luce.
Diversi gruppi stanno sviluppando silicio nero per celle solari e altri dispositivi ottici. Altri hanno utilizzato un processo a più fasi per creare le reazioni di tunneling del silicio, iniziando posizionando particelle metalliche sulla superficie di un wafer e poi aggiungendo gli acidi. Lo stiamo facendo in un unico passaggio liquido che non richiede alcun processo sotto vuoto, afferma Branz. Beverley, startup con sede a MA SiOnyx utilizza impulsi laser per generare minuscoli coni su superfici di silicio. La loro formula per il silicio nero crea un materiale diverso da quello di NREL, ma con proprietà simili. Cofondatore dell'azienda e scienziato principale James Carey dice che l'azienda spera di entrare nel mercato entro un anno. Carey non ha voluto rivelare quali efficienze fotovoltaiche SiOnyx ha raggiunto utilizzando il suo processo.
I bagni utilizzati nelle fabbriche odierne per pulire le celle solari tra le fasi di incisione potrebbero essere utilizzati per creare il rivestimento in silicio nero, afferma Branz, il che significa che questo processo potrebbe essere adottato dai produttori a costi molto bassi. L'agenzia ha richiesto i brevetti sul processo.