En ny billig etsningsteknik som utvecklats vid U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory kan sätta en biljon hål i en kiselskiva i storleken på en CD-skiva.

När de små hålen fördjupas, de får det silvergråa kislet att se mörkare och mörkare ut tills det blir nästan rent svart och kan absorbera nästan alla ljusfärger som solen kastar på det.

Vid rumstemperatur, den svarta kiselskivan kan göras på cirka tre minuter. Vid 100 grader F, det kan göras på mindre än en minut.

NREL-forskarnas genombrott kommer sannolikt att leda till billigare solceller som ändå är effektivare än de som används på hustaken och i solceller i dag.

R&D Magazine tilldelade NREL-teamet nyligen en av sina FoU 100-utmärkelser för Black Silicon Nanocatalytic Wet-Chemical Etch. Kallade "Oscars of Invention, "R&D 100 -utmärkelserna erkänner årets viktigaste vetenskapliga genombrott.

Howard Branz, huvudutredaren för projektet, sa att hans team blev intresserade i slutet av 2006 efter att han hört ett tal av en forskare från Münchens tekniska universitet. Forskaren beskrev hur hans team hade skapat svart kisel genom att lägga ett tunt guldskikt med hjälp av en vakuumavsättningsteknik. Snabbt, NREL -seniorforskaren Qi Wang och senioringenjören Scott Ward gav det ett försök.

"Vi rider alltid på andras axlar, "Sa Branz." Vi började med att replikera München -experimentet. "

Ljuspaket, Gyllene hål

Tänk på ljuset som att komma i små paket. Varje paket är en foton, som potentiellt kan ändras till en elektron för solenergi. Om fotonen studsar bort från en solcells yta, det är energiförlust. En del av ljuset studsar normalt när det träffar ett föremål, men en "svart kisel" -skiva kommer att absorbera allt ljus som träffar den.

Det mänskliga ögat uppfattar skivan som svart eftersom nästan inget solljus reflekterar tillbaka till näthinnan. Och det beror på att biljonhålen i skivans yta gör ett mycket bättre jobb med att absorbera ljusets våglängder än vad en fast yta gör.

Det är ungefär samma anledning till att takplattor med hål i dem absorberar ljud bättre än takplattor utan hål. Forskare i slutet av 1800 -talet hade redan gjort experiment för att visa att det som fungerar för att absorbera ljud också fungerar för att absorbera ljus.

Teamet från München använde avdunstningstekniker som kräver dyra vakuumpumpar för att lägga ner ett mycket tunt lager guld, kanske 10 atomer tjocka, Sa Branz. När en blandning av väteperoxid och fluorvätesyra hälldes på det tunna guldskiktet, nanopartiklar av guld som borras in i skivans släta yta, gör miljarder hål.

NREL -teamet visste direkt att de vakuumpumpar och förångningsutrustning som behövdes för att deponera guldet var för dyra för att bli kommersiellt livskraftiga.

NREL:s mål:förenkla processen, Sänk kostnaden

"Vår tanke var att om målet är att göra det billigare, vi vill undvika vakuumavsättning helt, "Sa Branz.

I en rad insikter utanför boxen kombinerat med viss serendipitet, Branz och kollegorna Scott Ward, Vern Yost och Anna Duda förenklade processen mycket.

Istället för att lägga guldet med dammsugare och pumpar, varför inte bara spraya på det? Ward föreslog.

Snarare än att lägga på guldet och sedan tillsätta den sura blandningen, varför inte blanda allt från början? Föreslog Dada.

I kombination, dessa två förslag gav ännu bättre resultat.

Forskarna lägger en upphängd lösning av guldnanopartiklar, kallas kolloidalt guld, på kiselytan, och låt vattnet avdunsta över natten för att lämna bara guldet, som sedan etsades in i skivan. Skivan blev nästan lika svart som med det avdunstade guldet.

En lycklig olycka

Och då, som ofta är fallet med viktiga vetenskapliga genombrott, serendipitet in.

NREL -tekniker och kemist Vern Yost märkte efter en tid att han inte fick så bra resultat, och antog att det berodde på att ett gammalt parti kolloidala nanopartiklar på något sätt hade klumpat ihop sig. Så han försökte separera dem med aqua regia, en mycket frätande blandning av salpetersyra och saltsyra. Aqua regia är latin för kungligt vatten, och hänvisar till en vätska som kan lösa upp kungliga metaller som silver och guld.

Aqua regia -behandlingen fick processen att fungera bättre än någonsin, och en liten undersökning visade att aqua regia hade reagerat med guldet för att bilda en lösning av kloroaurinsyra.

Voila! Kloroaurinsyra är billigare än kolloidalt guld och är faktiskt den kemiska föregångaren som industrin använder för att göra kolloidalt guld.

Kan samma etsningsresultat av svart kisel uppnås genom att ersätta den dyra kloraurinsyran med dyrt kolloidalt guld, och sedan blanda det som tidigare med väteperoxid och fluorvätesyra? Undrade Yost och Branz.

Ja, det fungerade. "Kloraurinsyra är mycket billigare än kolloidalt guld, "Sa Branz." I huvudsak genom att hoppa över några steg, de kunde göra guldnanopartiklar av kloraurinsyran samtidigt som de etsade hål i kislet med guldet de hade gjort. "

När konceptet förstods och blandningen av material lösts, själva tillverkningen av en svart kiselskiva blev ganska enkel.

"Du tar en bägare, lägg i en kiselskiva, häll i kloraurinsyran, häll i flussyra och väteperoxid, och vänta, "Sa Branz.

Så lite som 20 sekunder senare, den silvrig kiselskivan blir svart.

"Vår metod ger ett svartare kisel och skulle ersätta ett dyrt vakuumavsättningssystem med ett enda, billig, våt etsningssteg, "Sa Branz.

Billigare process gör också ett bättre material

De testade sitt svarta kisel och fann att receptet till mycket lägre kostnad som innehåller kloraurinsyra snabbt reducerade den oönskade reflektionen till mindre än 2 procent. Det mer kostsamma tillvägagångssättet med konventionella kiselnitrid-antireflexionslager stannade ut med cirka 3 till 7 procent reflektion. Som en extra bonus, svart kisel förhindrar reflektion av lågvinkligt morgon- och eftermiddagsljus mycket bättre än det konventionella antireflexskiktet.

För att förstå varför deras billiga tillvägagångssätt fungerade så bra, teamet tog in NREL -optiksexperten och seniorforskaren Paul Stradins och NREL -elektronmikroskopisterna Bobby To och Kim Jones. Trion fann att det svarta kislet pressade reflektionen så bra eftersom hålen var mindre i diameter än solvåglängderna.

Det är avgörande, för om hålen var lika stora som dessa ljusvåglängder, ljusstrålarna skulle känna igen ett "skarpt gränssnitt, "precis som de skulle göra om de stötte på en rostfri räknare. Varje skarpt gränssnitt får ljuset från solen att reflektera från ytan innan det kan komma in i solcellen och förvandlas till elektricitet.

En annan anledning till att solljuset aldrig känns ett skarpt gränssnitt när det träffar kislet är att alla dessa biljoner hål är uttråkade till olika djup, på grund av slumpmässigheten i etsningsfrekvensen för varje nanopartikel. På grund av hålens varierande djup, strålarna rör sig mycket gradvis från luft till kisel. Ljuset möter aldrig en plötslig förändring från luft till fast yta, så det studsar inte av skivan.

Men kommer det att fungera i en solcell?

Därefter var den formidabla utmaningen att använda tekniken för att göra en fungerande solcell.

Hao-Chi Yuan, en postdoktor, lades till i teamet för att ta reda på hur man bäst kan bearbeta denna nya typ av kisel till en solcell, göra solcellerna och bestämma styrkor och svagheter i denna nya cell. Yuan, tillsammans med Yost, Branz och NREL -ingenjören Matthew Page arbetade med att bestämma de idealiska djupen och diametrarna på hålen om målet är att förvandla fotoner till elektroner.

För att hålla en solcell på eller nära rekordet 16,8 procent effektivitet de hade uppnått, de insåg att hålen var tvungna att följa principen "Goldilocks". Hålen måste vara "lagom":tillräckligt djupa för att blockera reflektioner, men inte så djupt att de förstör solcellen.

Specifikt, de fann att de bästa resultaten inträffade när biljoner hål i genomsnitt var cirka 500 nanometer eller en halv mikron djupa, och deras diametrar bara lite smalare än ljusets minsta våglängd. (Hur liten? Diametern på 40 hål, läggs ihop, skulle vara tjockleken på ett människohår.)

Om hålen var mycket djupare, solcellen skulle ha problem med att dra ut alla solgenererade elektroner. Effektiviteten skulle vara så låg att ingen skulle vilja sätta cellerna på deras tak.

Lyckligt, den kombinationen av djup och diameter kan uppnås med en 3-minuters våt-etsning i rumstemperatur.

Branschen är mycket intresserad

Även om de blir billigare att tillverka, NRELs bästa solceller är fortfarande några tiondelar procent mindre effektiva än den konventionella typen. Men den låga reflektionen innebär att ett steg i fotovoltaisk effektivitet på minst 1 procentenhet kan uppnås. Teamet arbetar fortfarande för att få lite mer effektivitet från de svarta kiselcellerna. Solcellsvärlden har blivit ett tumspel, Branz sa, så "även en halv procentenhetsstöt i effektivitet till lägre kostnad skulle vara enorm."

Solcellsföretag är intresserade av att licensiera tekniken från NREL.

"Vi har fått flera företag att besöka här för att lära sig mer om det, "Chris Harris, biträdande direktör för licensiering i NREL:s kommersialiserings- och tekniköverföringsavdelning, sa. - Intresset är stort.

"Detta är verkligen en betydande fördel i en bransch där alla konkurrerar om marknadsandelar och kostnaden per watt är en viktig säljfunktion, "Harris tillade." Svart kisel ger en extra fördel utöver alla andra effektivitetsförbättringar som ett företag kan få. "

Al Goodrich, en kostnadsanalytiker för NREL:s PV -tillverkningsavdelning, fann att att göra de svarta kiselskivorna kräver ungefär en tredjedel mindre energi än att lägga det konventionella antireflexskiktet till den färdiga solcellen.

Enstegsprocessen är också mycket lättare för miljön.

Tekniken skulle ersätta en process som använder farlig silangas, samt rengöringsgaser som kväve -trifluorid, som har 17, 000 gånger mer slag än koldioxid för att bidra till den globala uppvärmningen. En övergång till svart kisel våt etsning teknik skulle innebära enorma minskningar av växthusgaser, och förbättringar av energibetalningen för resulterande PV -enheter. Det minskar också kapitalkostnaderna för att starta en fabrikslinje med cirka 10 procent, eftersom det ersätter flera dyra vakuumångverktyg med ett enkelt vått bad, Sa Goodrich.

NREL uppskattar att det svarta kislet kan minska cellomvandlingskostnaderna med 4 till 8 procent, när man använder allmänt tillgängliga industriella material och utrustning.

"Det är stort, "Tillade Goodrich." De människor som är intresserade av denna teknik inser att den skillnaden är värdefull fastighet. "