Mikrokablar av kisel - små trådar med en tjocklek som kan jämföras med ett människohår - har ett brett utbud av möjliga användningsområden, inklusive produktion av solceller som kan skörda mycket mer solljus för en given mängd material än en konventionell solcell tillverkad av en tunn skiva av kiselkristall. Nu har forskare från MIT och Penn State hittat ett sätt att producera sådana trådar i kvantitet på ett mycket kontrollerat sätt som kan skalas upp till en process i industriell skala, kan leda till praktiska kommersiella tillämpningar.

Andra sätt att göra sådana trådar är redan kända, och prototyper av solceller gjorda av dem har tagits fram av flera forskare. Men dessa metoder har allvarliga begränsningar, säger Tonio Buonassisi, MIT-professor i maskinteknik och medförfattare till en uppsats om det nya arbetet som nyligen publicerades online i tidskriften Små , och kommer snart att visas i den tryckta upplagan. De flesta kräver flera extra tillverkningssteg, ger liten kontroll över de exakta storlekarna och avståndet mellan trådarna, och fungerar bara på plana ytor. Däremot, den nya processen är enkel men möjliggör exakt kontroll över trådens dimensioner och avstånd, och skulle teoretiskt kunna göras på alla typer av krökta, 3D-yta.

Mikrokablar tros kunna uppnå effektivitet nära konventionella solceller vid omvandling av solljus till elektricitet, men eftersom trådarna är så små skulle de göra det med endast en liten bråkdel av mängden dyrt kisel som behövs för de konventionella cellerna, därmed potentiellt uppnå stora kostnadsminskningar.

Förutom mikrokablarnas potentiella användning i solceller, andra forskare har föreslagit sätt som sådana mikroskopiska trådar kan användas för att bygga nya sorters transistorer och integrerade kretsar, liksom elektroder för avancerade batterier och vissa typer av miljöövervakningsenheter. För att någon av dessa idéer ska vara praktiska, dock, det måste finnas en effektiv, skalbar tillverkningsmetod.

Den nya metoden innebär uppvärmning och avsiktlig kontaminering av ytan på en kiselskiva med koppar, som diffunderar in i kislet. Sedan, när kislet långsamt svalnar, koppar sprids ut för att bilda droppar på ytan. Sedan, när den placeras i en atmosfär av kiseltetrakloridgas, mikronkablar av kisel börjar växa utåt varhelst det finns en koppardroppe på ytan. Kisel i gasen löses upp i dessa koppardroppar, och sedan efter att ha nått en tillräcklig koncentration börjar fälla ut i botten av droppen, på kiselytan nedanför. Denna uppbyggnad av kisel förlänger gradvis för att bilda mikrokablar var och en bara cirka 10 till 20 mikrometer (miljondelar av en meter) tvärs över, växer upp från ytan. Hela processen kan utföras upprepade gånger i en industriell tillverkningsskala, Buonassisi säger, eller till och med potentiellt kan anpassas till en kontinuerlig process.

Avståndet mellan trådarna styrs av texturer som skapas på ytan - små gropar kan bilda centra för koppardropparna - men trådarnas storlek styrs av de temperaturer som används för processens diffusionsstadium. Således, till skillnad från andra produktionsmetoder, trådarnas storlek och avstånd kan kontrolleras oberoende av varandra, Säger Buonassisi.

Det arbete som gjorts hittills är bara ett bevis på principen, han säger, och mer arbete återstår att göra för att hitta de bästa kombinationerna av temperaturprofiler, kopparkoncentrationer och ytmönster för olika applikationer, eftersom processen möjliggör storleksskillnader i trådarnas storlek. Till exempel, det återstår att bestämma vilken tjocklek och avstånd mellan trådarna som ger de mest effektiva solcellerna. Men det här arbetet visar på en potential för ett slags solceller baserat på sådana ledningar som kan avsevärt sänka kostnaderna, både genom att tillåta användning av lägre kvaliteter av kisel (det vill säga mindre högraffinerad), eftersom processen med trådtillväxt hjälper till att rena materialet, och genom att använda mycket mindre mängder av det, eftersom de små trådarna består av bara en liten bråkdel av den mängd som behövs för konventionella kiselkristallplattor. "Detta är fortfarande i ett mycket tidigt skede, ”Säger Buonassisi, för när man beslutar om en konfiguration för en sådan solcell "finns det så många saker att optimera."

Michael Kelzenberg, en postdoktor vid California Institute of Technology som har ägnat de senaste fem åren åt forskning om kiselmikroråd, säger att medan andra har använt koppardroppstekniken för att odla mikrovågstrådar, "Det som är riktigt nytt här är metoden för att producera de flytande metaldropparna." Medan andra har fått placera dropparna av smält koppar på kiselplattan, kräver extra bearbetningssteg, ”Buonassisi och hans kollegor har visat att metall kan diffunderas in i tillväxtsubstratet i förväg, och genom noggrann uppvärmning och kylning, metaldropparna kommer faktiskt att bildas av sig själva - med rätt position och storlek. ”

Kelzenberg tillägger att hans forskargrupp nyligen har visat att kisel -mikrovågssolceller kan likna effektiviteten hos dagens typiska kommersiella solceller. "Jag tror att den största utmaningen som återstår är att visa att denna teknik är mer kostnadseffektiv eller på annat sätt fördelaktig än andra katalysatormetallframställningsmetoder, Säger han. Men totalt sett, han säger, någon version av kiselmikrotrådsteknik "har potential att möjliggöra dramatiska kostnadsreduktioner" av solpaneler.

Tidningen var medförfattare av Vidya Ganapati ’10, doktorand David Fenning, postdoktor Mariana Bertoni, och forskningsspecialist Alexandria Fecych, alla på MIT:s avdelning för maskinteknik, och postdoktor Chito Kendrick och professor Joan Redwing från Pennsylvania State University. Arbetet stöddes av U.S. Department of Energy, Chesonis Family Foundation och National Science Foundation.