Uma nova técnica de gravação de baixo custo desenvolvida no Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA pode colocar um trilhão de orifícios em uma pastilha de silício do tamanho de um disco compacto.

À medida que os pequenos buracos se aprofundam, eles fazem o silício cinza-prateado parecer mais escuro e mais escuro até que se torne quase preto puro e capaz de absorver quase todas as cores de luz que o sol joga nele.

Em temperatura ambiente, o wafer de silício preto pode ser feito em cerca de três minutos. A 100 graus F, pode ser feito em menos de um minuto.

A descoberta dos cientistas do NREL provavelmente levará a células solares de baixo custo que, no entanto, são mais eficientes do que as usadas em telhados e painéis solares hoje.

A R&D Magazine concedeu recentemente à equipe do NREL um de seus prêmios R&D 100 para Black Silicon Nanocatalytic Wet-Chemical Etch. Chamado de "o Oscar da invenção, "os prêmios R&D 100 reconhecem as descobertas científicas mais significativas do ano.

Howard Branz, o investigador principal do projeto, disse que sua equipe se interessou no final de 2006, depois que ele ouviu uma palestra de um cientista da Universidade Técnica de Munique. O cientista descreveu como sua equipe criou silício preto ao estabelecer uma fina camada de ouro usando uma técnica de deposição a vácuo. Rapidamente, O cientista sênior do NREL Qi Wang e o engenheiro sênior Scott Ward deram uma chance.

"Nós sempre cavalgamos nos ombros dos outros, "Branz disse." Começamos replicando o experimento de Munique. "

Pacotes de Luz, Buracos Dourados

Pense na luz vindo em pequenos pacotes. Cada pacote é um fóton, que potencialmente pode ser transformado em um elétron para energia solar. Se o fóton ricocheteia na superfície de uma célula solar, é energia perdida. Parte da luz normalmente é refletida quando atinge um objeto, mas um wafer de 'silício preto' absorverá toda a luz que o atinge.

O olho humano percebe o wafer como preto porque quase nenhuma luz solar é refletida de volta para a retina. E isso porque os trilhões de orifícios na superfície do wafer fazem um trabalho muito melhor de absorção dos comprimentos de onda da luz do que uma superfície sólida.

É mais ou menos o mesmo motivo pelo qual as placas de forro com orifícios absorvem o som melhor do que placas de teto sem furos. Cientistas do final do século 19 já haviam feito experimentos para mostrar que o que funciona para a absorção de som também funciona para a absorção de luz.

A equipe de Munique usou técnicas de evaporação que exigem bombas de vácuo caras para formar uma camada muito fina de ouro, talvez 10 átomos de espessura, Disse Branz. Quando uma mistura de peróxido de hidrogênio e ácido fluorídrico foi derramada sobre a fina camada de ouro, nanopartículas de ouro perfuradas na superfície lisa do wafer, fazendo bilhões de buracos.

A equipe do NREL soube imediatamente que as bombas de vácuo e o equipamento de evaporação necessários para depositar o ouro eram muito caros para se tornarem comercialmente viáveis.

Objetivo do NREL:Simplificar o Processo, Reduza o custo

"Nosso pensamento era que, se o objetivo é baratear, queremos evitar a deposição a vácuo completamente, "Branz disse.

Em uma série de insights inovadores combinados com alguma sorte, Branz e colegas Scott Ward, Vern Yost e Anna Duda simplificaram muito esse processo.

Em vez de colocar o ouro com aspiradores e bombas, por que não borrifar? Ward sugeriu.

Em vez de espalhar o ouro e adicionar a mistura ácida, porque não misturar tudo desde o início? Dada sugeriu.

Em combinação, essas duas sugestões produziram resultados ainda melhores.

Os cientistas colocaram uma solução suspensa de nanopartículas de ouro, chamado ouro coloidal, na superfície de silício, e deixe a água evaporar durante a noite para deixar apenas o ouro, que então gravada na bolacha. O wafer ficou quase tão preto quanto com o ouro evaporado.

Um acidente de sorte

E então, como costuma acontecer com importantes descobertas científicas, serendipidade entrou.

O técnico e químico da NREL Vern Yost percebeu depois de um tempo que não estava obtendo resultados tão bons, e presumiu que era porque um antigo lote de nanopartículas coloidais havia de alguma forma se agrupado. Então ele tentou separá-los com água régia, uma mistura altamente corrosiva de ácido nítrico e ácido clorídrico. Aqua regia significa água régia em latim, e se refere a um líquido que pode dissolver os metais reais, como prata e ouro.

O tratamento de água régia fez com que o processo funcionasse melhor do que nunca, e uma pequena investigação descobriu que a água régia havia reagido com o ouro para formar uma solução de ácido cloroáurico.

Voila! O ácido cloroáurico é mais barato que o ouro coloidal e, na verdade, é o precursor químico que a indústria usa para fazer ouro coloidal.

Poderia o mesmo resultado de corrosão de silício preto ser alcançado substituindo o ácido cloroáurico barato por ouro coloidal caro, e então misturá-lo como antes com peróxido de hidrogênio e ácido fluorídrico? Yost e Branz se perguntaram.

Sim, funcionou. "O ácido cloroáurico é muito mais barato do que o ouro coloidal, "Branz disse." Em essência, pulando algumas etapas, eles foram capazes de fazer nanopartículas de ouro a partir do ácido cloroáurico ao mesmo tempo em que estavam gravando buracos no silício com o ouro que haviam feito. "

Uma vez que o conceito foi entendido e a mistura de materiais resolvida, a fabricação real de um wafer de silício preto tornou-se bastante simples.

"Você pega um copo, coloque uma pastilha de silício, despeje o ácido cloroáurico, despeje o ácido fluorídrico e o peróxido de hidrogênio, e espere, "Branz disse.

Apenas 20 segundos depois, o wafer de silício prateado fica preto.

"Nosso método dá um silício mais negro e substituiria um caro sistema de deposição a vácuo por um único, barato, etapa de gravação úmida, "Branz disse.

Processo mais barato também torna um material melhor

Eles testaram seu silício preto e descobriram que a receita de custo muito mais baixo contendo ácido cloroáurico reduzia rapidamente o reflexo indesejado para menos de 2 por cento. A abordagem mais cara usando camadas anti-reflexo de nitreto de silício convencionais estagnou em cerca de 3 a 7 por cento de reflexão. Como um bônus adicional, o silício preto evita o reflexo da luz solar de baixo ângulo da manhã e da tarde muito melhor do que a camada anti-reflexo convencional.

Para entender por que sua abordagem barata funcionou tão bem, a equipe trouxe o especialista em ótica da NREL e cientista sênior Paul Stradins e os microscopistas eletrônicos da NREL Bobby To e Kim Jones. O trio descobriu que o silício preto amortecia a reflexão tão bem porque os orifícios eram menores em diâmetro do que os comprimentos de onda solares.

Isso é crucial, porque se os buracos fossem tão grandes quanto esses comprimentos de onda de luz, os raios de luz reconheceriam uma "interface nítida, "da mesma forma que fariam se encontrassem um balcão de aço inoxidável. Qualquer interface nítida faz com que a luz do sol seja refletida na superfície antes de entrar na célula solar e se transformar em eletricidade.

Outra razão pela qual a luz do sol nunca parece uma interface nítida quando atinge o silício é que todos aqueles trilhões de orifícios são perfurados em diferentes profundidades, devido à aleatoriedade da taxa de corrosão de cada nanopartícula. Por causa das profundidades variáveis ​​dos furos, os raios se movem muito gradualmente do ar para o silício. A luz nunca encontra uma mudança abrupta do ar para a superfície sólida, para que não salte no wafer.

Mas funcionará em uma célula solar?

Em seguida, foi o desafio formidável de usar a tecnologia para fazer uma célula solar viável.

Hao-Chi Yuan, um pesquisador de pós-doutorado, foi adicionado à equipe para descobrir a melhor forma de trabalhar este novo tipo de silício em uma célula solar, fazer as células solares e determinar os pontos fortes e fracos deste novo tipo de célula. Yuan, junto com Yost, Branz e o engenheiro do NREL Matthew Page trabalharam para determinar as profundidades e diâmetros ideais dos buracos se o objetivo é transformar fótons em elétrons.

Para manter uma célula solar em ou perto do recorde de 16,8 por cento da taxa de eficiência que eles alcançaram, eles perceberam que os furos tinham que seguir o princípio "Cachinhos Dourados". Os orifícios devem ser "perfeitos":profundos o suficiente para bloquear reflexos, mas não tão profundo a ponto de estragar a célula solar.

Especificamente, eles descobriram que os melhores resultados ocorreram quando os trilhões de orifícios tinham em média cerca de 500 nanômetros ou meio mícron de profundidade, e seus diâmetros apenas um pouco mais estreitos do que o menor comprimento de onda da luz. (Quão pequeno? O diâmetro de 40 orifícios, somados, seria da espessura de um cabelo humano.)

Se os buracos fossem muito mais profundos, a célula solar teria problemas para puxar todos os elétrons gerados pelo sol. A eficiência seria tão baixa que ninguém iria querer colocar as células em seu telhado.

Felizmente, essa combinação de profundidade e diâmetro pode ser obtida com uma imersão de ácido úmido de 3 minutos em temperatura ambiente.

Extremamente interessado na indústria

Embora sejam mais baratos de fabricar, As melhores células solares do NREL ainda são alguns décimos de por cento menos eficientes do que o tipo convencional. Mas a baixa reflexão significa que um salto na eficiência fotovoltaica de pelo menos 1 ponto percentual pode ser alcançado. A equipe ainda está trabalhando para obter um pouco mais de eficiência das células pretas de silício. O mundo da célula solar tornou-se um jogo de centímetros, Branz disse, portanto, "mesmo um aumento de meio ponto percentual na eficiência a custos reduzidos seria enorme".

As empresas de células solares estão interessadas em licenciar a tecnologia do NREL.

"Tivemos várias empresas que vieram nos visitar para saber mais sobre isso, "Chris Harris, diretor associado de licenciamento na divisão de comercialização e transferência de tecnologia da NREL, disse. “O interesse é alto.

"Esta é certamente uma vantagem significativa em uma indústria onde todos estão competindo por participação de mercado e o custo por watt é um recurso chave de vendas, "Harris acrescentou." O silício preto oferece um benefício adicional em cima de quaisquer outras melhorias na eficiência que uma empresa pode obter. "

Al Goodrich, um analista de custos sênior para a divisão de fabricação de PV da NREL, descobriram que fazer os wafers de silício preto requer cerca de um terço a menos de energia do que adicionar a camada anti-reflexo convencional à célula solar acabada.

O processo de uma etapa também é muito mais fácil para o meio ambiente.

A tecnologia substituiria um processo que usa gás silano perigoso, bem como gases de limpeza, como trifluoreto de nitrogênio, que tem 17, 000 vezes mais força do que o dióxido de carbono na contribuição para o aquecimento global. Uma mudança para a tecnologia de corrosão úmida de silício preto significaria enormes reduções nos gases de efeito estufa, e melhorias no retorno de energia para dispositivos fotovoltaicos resultantes. Também reduz os custos de capital para iniciar uma linha de fábrica em cerca de 10 por cento, porque substitui várias ferramentas caras de vapor a vácuo por um simples banho úmido, Goodrich disse.

O NREL estima que o silício preto pode reduzir os custos de conversão de células em 4 a 8 por cento, ao usar materiais e equipamentos industriais amplamente disponíveis.

"Isso é grande, "Goodrich acrescentou." As pessoas interessadas nesta tecnologia reconhecem que essa diferença é um imóvel valioso. "