Gotas derretidas de cobre, no topo, dissolver o silício de um gás rico em silício circundante, e então o silício precipita na parte inferior da gota para formar gradualmente um microfio de silício. Esta imagem do microscópio teve cor adicionada para maior clareza. Imagem cortesia de Tonio Buonassisi
Microfios feitos de silício - fios minúsculos com uma espessura comparável a um cabelo humano - têm uma ampla gama de usos possíveis, incluindo a produção de células solares que podem colher muito mais luz solar para uma determinada quantidade de material do que uma célula solar convencional feita de uma lâmina fina de cristal de silício. Agora, pesquisadores do MIT e da Penn State descobriram uma maneira de produzir esses fios em quantidade de uma forma altamente controlada que poderia ser dimensionada para um processo em escala industrial, potencialmente levando a aplicações comerciais práticas.
Outras maneiras de fazer tais fios já são conhecidas, e protótipos de células solares feitos a partir deles foram produzidos por vários pesquisadores. Mas esses métodos têm limitações sérias, disse Tonio Buonassisi, Professor de engenharia mecânica do MIT e co-autor de um artigo sobre o novo trabalho que foi publicado recentemente online na revista Pequena , e em breve aparecerá na edição impressa. A maioria requer várias etapas extras de fabricação, fornecem pouco controle sobre os tamanhos exatos e espaçamento dos fios, e só funcionam em superfícies planas. Por contraste, o novo processo é simples, mas permite um controle preciso sobre as dimensões e espaçamento do fio, e teoricamente poderia ser feito em qualquer tipo de curva, Superfície 3-D.
Acredita-se que os microfios sejam capazes de alcançar eficiências próximas às das células solares convencionais na conversão de luz solar em eletricidade, mas como os fios são tão minúsculos, eles o fariam usando apenas uma pequena fração da quantidade de silício caro necessária para as células convencionais, assim, potencialmente alcançando grandes reduções de custo.
Além do uso potencial de microfios em células solares, outros pesquisadores propuseram maneiras como esses fios microscópicos poderiam ser usados para construir novos tipos de transistores e circuitos integrados, bem como eletrodos para baterias avançadas e certos tipos de dispositivos de monitoramento ambiental. Para que qualquer uma dessas ideias seja prática, Contudo, deve haver um eficiente, método de fabricação escalonável.
O novo método envolve aquecimento e contaminação intencional da superfície de um wafer de silício com cobre, que se difunde no silício. Então, quando o silício esfria lentamente, o cobre se espalha para formar gotículas na superfície. Então, quando é colocado em uma atmosfera de gás tetracloreto de silício, os microfios de silício começam a crescer para fora onde quer que haja uma gota de cobre na superfície. O silício no gás se dissolve nessas gotículas de cobre, e depois de atingir uma concentração suficiente começa a precipitar na parte inferior da gota, na superfície de silício abaixo. Este acúmulo de silício se alonga gradualmente para formar microfios, cada um com apenas cerca de 10 a 20 micrômetros (milionésimos de metro) de diâmetro, crescendo da superfície. Todo o processo pode ser realizado repetidamente em escala de fabricação industrial, Buonassisi diz, ou mesmo potencialmente adaptado a um processo contínuo.
O espaçamento dos fios é controlado por texturas criadas na superfície - pequenas covinhas podem formar centros para as gotas de cobre - mas o tamanho dos fios é controlado pelas temperaturas utilizadas para a etapa de difusão do processo. Assim, ao contrário de outros métodos de produção, o tamanho e o espaçamento dos fios podem ser controlados independentemente um do outro, Buonassisi diz.
Essa nova técnica de cultivo de microfios pode produzir fios muito longos em relação ao seu diâmetro. A "tampa" arredondada na parte superior do fio é uma gota de cobre fundido, enquanto o próprio fio é puro silício. Imagem cortesia de Tonio Buonassisi
O trabalho realizado até agora é apenas uma prova de princípio, ele diz, e mais trabalho ainda precisa ser feito para encontrar as melhores combinações de perfis de temperatura, concentrações de cobre e padronização de superfície para várias aplicações, uma vez que o processo permite diferenças de ordens de magnitude no tamanho dos fios. Por exemplo, resta determinar que espessura e espaçamento dos fios produzem as células solares mais eficientes. Mas este trabalho demonstra um potencial para um tipo de célula solar baseada em tais fios que poderia reduzir significativamente os custos, ambos permitindo o uso de graus mais baixos de silício (isto é, menos altamente refinado), uma vez que o processo de crescimento do fio ajuda a purificar o material, e usando quantidades muito menores dele, uma vez que os minúsculos fios são compostos de apenas uma pequena fração da quantidade necessária para wafers de cristal de silício convencionais. “Isso ainda está em um estágio muito inicial, ”Buonassisi diz, porque ao decidir sobre uma configuração para tal célula solar "há muitas coisas para otimizar."
Michael Kelzenberg, um bolsista de pós-doutorado no Instituto de Tecnologia da Califórnia que passou os últimos cinco anos pesquisando microfios de silício, diz que, embora outros tenham usado a técnica de gota de cobre para o cultivo de microfios, “O que é realmente novo aqui é o método de produção dessas gotículas de metal líquido.” Enquanto outros tiveram que colocar as gotículas de cobre fundido na placa de silício, exigindo etapas extras de processamento, “Buonassisi e seus colegas mostraram que o metal pode ser difundido no substrato de crescimento de antemão, e por meio de aquecimento e resfriamento cuidadosos, as gotículas de metal realmente se formarão por conta própria - com a posição e o tamanho corretos. ”
Kelzenberg acrescenta que seu grupo de pesquisa demonstrou recentemente que as células solares de microfios de silício podem igualar a eficiência das células solares comerciais típicas de hoje. “Acho que o maior desafio restante é mostrar que esta técnica é mais econômica ou benéfica do que outros métodos de produção de metal catalisador, ”Diz ele. Mas acima de tudo, ele diz, alguma versão da tecnologia de microfio de silício “tem o potencial de permitir reduções dramáticas de custo” de painéis solares.
O artigo foi coautor de Vidya Ganapati ’10, estudante de doutorado David Fenning, pós-doutoranda Mariana Bertoni, e a especialista em pesquisa Alexandria Fecych, tudo no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, e o pesquisador de pós-doutorado Chito Kendrick e a professora Joan Redwing, da Pennsylvania State University. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, a Chesonis Family Foundation e a National Science Foundation.
