211service.com
Czarny krzem sprawia, że ogniwa słoneczne są tańsze
Prosta obróbka chemiczna mogłaby zastąpić drogie antyrefleksyjne powłoki ogniw słonecznych, obniżając koszt paneli z krzemu krystalicznego. Zabieg, jednoetapowe zanurzenie w kąpieli chemicznej, tworzy wysoce antyrefleksyjną warstwę czarnego krzemu na powierzchni płytek krzemowych, a kosztowałby tylko grosze za wat, twierdzą naukowcy z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL). Wykorzystali go do stworzenia czarnych krzemowych ogniw słonecznych, które dorównują wydajnością konwencjonalnym ogniwom krzemowym dostępnym na rynku.
Solar robi się czarny: Te dwa ogniwa słoneczne zostały wyprodukowane na waflu krzemowym poddanym obróbce, aby stworzyć antyrefleksyjną czarną powierzchnię krzemową. Srebrzyste obszary wokół komórek mają inny kolor, ponieważ wysoce chłonna czarna warstwa została wytrawiona.
Krystaliczne płytki krzemowe używane do produkcji dzisiejszych ogniw słonecznych są poddawane obróbce w celu stworzenia teksturowanej powierzchni, a następnie pokryte warstwą antyrefleksyjną, zwykle azotkiem krzemu, przy użyciu procesów wysokopróżniowych. Ta dodatkowa warstwa zwiększa wartość ogniwa słonecznego, poprawiając jego wydajność – tłumi odbicia, dzięki czemu więcej fotonów faktycznie dostaje się do płytki krzemowej zamiast odbijać się od jej powierzchni, zwiększając przepływ energii elektrycznej z ogniwa. Ale dodatkowa warstwa również zwiększa koszty. Wierzymy, że może być taniej, mówi Howard Branz , główny naukowiec w dziedzinie materiałów i urządzeń krzemowych w NREL. Nawet z powłoką najwyższej jakości krzemowe ogniwa słoneczne zazwyczaj odbijają 3% padającego na nie światła. Laboratorium Branza opracowuje niedrogie sposoby wytwarzania czarnego krzemu, który prawie nie odbija światła.
Prototypowe ogniwa słoneczne wykonane w NREL mają najlepszą wydajność, jaką kiedykolwiek zgłoszono dla czarnych ogniw krzemowych. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego z czarną powierzchnią i bez dodatkowej powłoki antyrefleksyjnej przekształcają 16,8 procent padającego na nie światła w energię elektryczną, mniej więcej taką samą wydajność jak typowe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu pokryte materiałem antyrefleksyjnym. Poprzedni rekord dla czarnych ogniw krzemowych wynosił 13,9 proc.
Aby zastąpić procesy osadzania próżniowego stosowane do obróbki powierzchni płytki krzemowej, laboratorium Branza opracowało proces chemiczny, który można przeprowadzić w temperaturze i ciśnieniu otoczenia przy użyciu sprzętu znajdującego się już na miejscu w fabrykach paneli słonecznych. Opłatek zanurza się w kąpieli zawierającej wodny roztwór nadtlenku wodoru, kwasu fluorowodorowego i kwasu chlorozłotowego, który składa się z wodoru, chloru i złota. Niewielka ilość złota w kąpieli kwasowej działa jak katalizator reakcji chemicznych. Nie jest jasne, jakie dokładnie są reakcje chemiczne, ale prowadzą one do powstania nanocząstek złota, które wiercą w wafelku nanootwory na różnej głębokości. Branz mówi, że złoto może być wielokrotnie używane.
Ten proces trawienia trwa trzy minuty w temperaturze pokojowej i mniej niż minutę w temperaturze 40 °C. Rezultatem jest czarny, wysoce chłonny wafel krzemowy, którego powierzchnia jest usiana maleńkimi tunelami o różnej głębokości. Pory tworzą powierzchnię bez ostrych krawędzi, które odbijają światło, a zmienność ich głębokości jest kluczowa, ponieważ długość tuneli określa długość fali światła, z którą będą oddziaływać. Zmienność długości tunelu pozwala powierzchni zatrzymywać szerokie spektrum światła.
Kilka grup opracowuje czarny krzem do ogniw słonecznych i innych urządzeń optycznych. Inni stosowali wieloetapowy proces do tworzenia reakcji tunelowania krzemu, zaczynając od umieszczenia cząstek metalu na powierzchni wafla, a następnie dodając kwasy. Robimy to w jednym, płynnym etapie, który nie wymaga żadnych procesów próżniowych, mówi Branz. Beverley, startup z siedzibą w MA SiOnyx wykorzystuje impulsy laserowe do generowania maleńkich stożków na powierzchniach krzemowych. Ich formuła na czarny krzem tworzy inny materiał niż NREL, ale o podobnych właściwościach. Współzałożyciel firmy i główny naukowiec James Carey mówi, że firma ma nadzieję wejść na rynek w ciągu roku. Carey nie ujawniłby, jakie sprawności fotowoltaiczne osiągnęło SiOnyx przy użyciu swojego procesu.
Wanny używane w dzisiejszych fabrykach do czyszczenia ogniw słonecznych między etapami trawienia mogą zostać wykorzystane do stworzenia czarnej powłoki krzemowej, mówi Branz, co oznacza, że proces ten mógłby zostać zastosowany przez producentów przy bardzo niskich kosztach. Agencja złożyła wniosek o patenty na ten proces.