Una nueva técnica de grabado de bajo costo desarrollada en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. Puede hacer un billón de agujeros en una oblea de silicio del tamaño de un disco compacto.

A medida que los pequeños agujeros se profundizan, hacen que el silicio gris plateado parezca más y más oscuro hasta que se vuelve casi negro puro y es capaz de absorber casi todos los colores de la luz que le arroja el sol.

A temperatura ambiente, la oblea de silicio negro se puede hacer en unos tres minutos. A 100 grados F, se puede hacer en menos de un minuto.

El avance de los científicos de NREL probablemente conducirá a celdas solares de menor costo que, sin embargo, son más eficientes que las que se usan en los tejados y en los paneles solares en la actualidad.

La revista R&D Magazine otorgó recientemente al equipo de NREL uno de sus premios R&D 100 por Grabado químico húmedo nanocatalítico de silicio negro. Llamados "los Oscar de la invención, "Los premios R&D 100 reconocen los avances científicos más importantes del año.

Howard Branz, el investigador principal del proyecto, dijo que su equipo se interesó a fines de 2006 después de que escuchó una charla de un científico de la Universidad Técnica de Munich. El científico describió cómo su equipo había creado silicio negro colocando una fina capa de oro utilizando una técnica de deposición al vacío. Rápidamente, El científico senior de NREL Qi Wang y el ingeniero senior Scott Ward lo intentaron.

"Siempre cabalgamos sobre los hombros de los demás, ", Dijo Branz." Comenzamos replicando el experimento de Munich ".

Paquetes de luz, Agujeros de oro

Piense en la luz como si viniera en pequeños paquetes. Cada paquete es un fotón, que potencialmente se puede transformar en un electrón para la energía solar. Si el fotón rebota en la superficie de una célula solar, eso es energía perdida. Parte de la luz normalmente rebota cuando golpea un objeto, pero una oblea de 'silicio negro' absorberá toda la luz que la golpee.

El ojo humano percibe la oblea como negra porque casi ninguna luz solar se refleja en la retina. Y eso se debe a que los billones de agujeros en la superficie de la oblea absorben mejor las longitudes de onda de la luz que una superficie sólida.

Es más o menos la misma razón por la que las placas del techo con agujeros absorben el sonido mejor que las placas del techo sin agujeros. A finales del siglo XIX, los científicos ya habían realizado experimentos para demostrar que lo que funciona para absorber el sonido también funciona para absorber la luz.

El equipo de Munich utilizó técnicas de evaporación que requieren costosas bombas de vacío para depositar una capa muy delgada de oro. quizás 10 átomos de espesor, Branz dijo. Cuando se vertió una mezcla de peróxido de hidrógeno y ácido fluorhídrico sobre la fina capa de oro, nanopartículas de oro perforadas en la superficie lisa de la oblea, haciendo miles de millones de agujeros.

El equipo de NREL supo de inmediato que las bombas de vacío y el equipo de evaporación necesarios para depositar el oro eran demasiado costosos para ser comercialmente viables.

Objetivo de NREL:simplificar el proceso, Reducir el costo

"Pensamos que si el objetivo es hacerlo más barato, queremos evitar la deposición al vacío por completo, ", Dijo Branz.

En una serie de ideas innovadoras combinadas con algo de serendipia, Branz y sus colegas Scott Ward, Vern Yost y Anna Duda simplificaron enormemente ese proceso.

En lugar de colocar el oro con aspiradoras y bombas, ¿Por qué no simplemente rociarlo? Sugirió Ward.

En lugar de colocar capas de oro y luego agregar la mezcla ácida, ¿Por qué no mezclarlo todo desde el principio? Sugirió Dada.

En combinación, esas dos sugerencias arrojaron resultados aún mejores.

Los científicos pusieron una solución suspendida de nanopartículas de oro, llamado oro coloidal, en la superficie de silicio, y deja que el agua se evapore durante la noche para dejar solo el oro, que luego se grabó en la oblea. La oblea se volvió casi tan negra como con el oro evaporado.

Un accidente afortunado

Y luego, como suele ser el caso de importantes avances científicos, entró la serendipia.

El técnico y químico de NREL Vern Yost notó después de un tiempo que no estaba obteniendo tan buenos resultados, y asumió que era porque un viejo lote de nanopartículas coloidales se había agrupado de alguna manera. Entonces trató de separarlos con agua regia, una mezcla altamente corrosiva de ácido nítrico y ácido clorhídrico. Aqua regia significa agua real en latín, y se refiere a un líquido que puede disolver los metales reales como la plata y el oro.

El tratamiento con agua regia hizo que el proceso funcionara mejor que nunca, y una pequeña investigación encontró que el agua regia había reaccionado con el oro para formar una solución de ácido cloroáurico.

¡Voila! El ácido cloroáurico es menos costoso que el oro coloidal y en realidad es el precursor químico que utiliza la industria para fabricar oro coloidal.

¿Podría lograrse el mismo resultado de grabado con silicio negro sustituyendo el costoso oro coloidal por el ácido cloroáurico de bajo costo? y luego mezclarlo como antes con peróxido de hidrógeno y ácido fluorhídrico? Yost y Branz se preguntaron.

Sí, funcionó. "El ácido cloroáurico es mucho más barato que el oro coloidal, "Branz dijo." En esencia, saltando algunos pasos, fueron capaces de hacer nanopartículas de oro a partir del ácido cloroáurico al mismo tiempo que estaban grabando agujeros en el silicio con el oro que habían hecho ".

Una vez que se entendió el concepto y se resolvió la mezcla de materiales, la fabricación real de una oblea de silicio negro se volvió bastante simple.

"Tomas un vaso de precipitados, poner una oblea de silicona, vierta el ácido cloroáurico, vierta el ácido fluorhídrico y el peróxido de hidrógeno, y espera, ", Dijo Branz.

Tan solo 20 segundos después, la oblea de silicio plateado se vuelve negra.

"Nuestro método da un silicio más negro y reemplazaría un costoso sistema de deposición al vacío con un solo, barato, paso de grabado en húmedo, ", Dijo Branz.

Un proceso más económico también hace un mejor material

Probaron su silicio negro y descubrieron que la receta de mucho menor costo que contenía ácido cloroáurico redujo rápidamente el reflejo no deseado a menos del 2 por ciento. El enfoque más costoso que usaba capas antirreflejos de nitruro de silicio convencionales se detuvo en aproximadamente un 3 a un 7 por ciento de reflexión. Como bono adicional, El silicio negro evita la reflexión de la luz solar matutina y vespertina de ángulo bajo mucho mejor que la capa antirreflectante convencional.

Para comprender por qué su enfoque económico funcionó tan bien, el equipo trajo al experto en óptica y científico senior de NREL Paul Stradins ya los microscopistas electrónicos de NREL Bobby To y Kim Jones. El trío descubrió que el silicio negro aplastaba la reflexión tan bien porque los agujeros eran de menor diámetro que las longitudes de onda solares.

Eso es crucial porque si los agujeros fueran tan grandes como estas longitudes de onda de luz, los rayos de luz reconocerían una "interfaz nítida, "tal como lo harían si se encontraran con un mostrador de acero inoxidable. Cualquier interfaz afilada hace que la luz del sol se refleje en la superficie antes de que pueda ingresar a la celda solar y convertirse en electricidad.

Otra razón por la que la luz del sol nunca siente una interfaz nítida cuando golpea el silicio es que todos esos billones de agujeros están perforados a diferentes profundidades. debido a la aleatoriedad de la velocidad de grabado de cada nanopartícula. Debido a las profundidades variables de los agujeros, los rayos se mueven muy gradualmente del aire al silicio. La luz nunca encuentra un cambio brusco de aire a superficie sólida, para que no rebote en la oblea.

Pero, ¿funcionará en una célula solar?

El siguiente fue el formidable desafío de usar la tecnología para hacer una célula solar viable.

Hao-Chi Yuan, un investigador postdoctoral, se agregó al equipo para descubrir la mejor manera de trabajar este nuevo tipo de silicio en una celda solar, hacer las células solares y determinar las fortalezas y debilidades de este nuevo tipo de célula. Yuan, junto con Yost, Branz y el ingeniero de NREL Matthew Page trabajaron para determinar las profundidades y diámetros ideales de los agujeros si el objetivo es convertir fotones en electrones.

Para mantener una celda solar en o cerca de la tasa de eficiencia récord del 16.8 por ciento que habían logrado, se dieron cuenta de que los agujeros tenían que adherirse al principio de "Ricitos de oro". Los agujeros deben ser "perfectos":lo suficientemente profundos para bloquear los reflejos, pero no tan profundo como para estropear la célula solar.

Específicamente, encontraron que los mejores resultados ocurrieron cuando los billones de agujeros tenían en promedio unos 500 nanómetros o medio micrón de profundidad, y sus diámetros un poco más estrechos que la longitud de onda más pequeña de la luz. (¿Qué tan pequeño? El diámetro de 40 agujeros, agregado junto, sería el grosor de un cabello humano.)

Si los agujeros fueran mucho más profundos, la célula solar tendría problemas para extraer todos los electrones generados por el sol. Las eficiencias serían tan bajas que nadie querría poner las celdas en su techo.

Felizmente, esa combinación de profundidad y diámetro se puede lograr con un remojo de grabado en húmedo de 3 minutos a temperatura ambiente.

Los interesados ​​de la industria

Aunque serán más baratos de fabricar, Las mejores células solares de NREL siguen siendo unas décimas porcentuales menos eficientes que las del tipo convencional. Pero la baja reflexión significa que se podría lograr un salto en la eficiencia fotovoltaica de al menos 1 punto porcentual. El equipo todavía está trabajando para obtener un poco más de eficiencia de las celdas de silicio negro. El mundo de las células solares se ha convertido en un juego de centímetros, Branz dijo:por lo que "incluso un aumento de la eficiencia de medio punto porcentual a un costo reducido sería enorme".

Las empresas de células solares están interesadas en obtener la licencia de la tecnología de NREL.

"Varias empresas han venido a visitarnos aquí para obtener más información al respecto, "Chris Harris, director asociado de licencias en la división de comercialización y transferencia de tecnología de NREL, dijo. "El interés es alto.

"Esta es sin duda una ventaja significativa en una industria en la que todos compiten por la participación de mercado y el costo por vatio es una característica de venta clave, Harris agregó:"El silicio negro proporciona un beneficio adicional además de cualquier otra mejora en la eficiencia que pueda obtener una empresa".

Al Goodrich, un analista de costos senior para la división de fabricación fotovoltaica de NREL, descubrió que hacer las obleas de silicio negro requiere aproximadamente un tercio menos de energía que agregar la capa antirreflectante convencional a la celda solar terminada.

El proceso de un solo paso también es mucho más fácil para el medio ambiente.

La tecnología reemplazaría un proceso que usa gas silano peligroso, así como gases de limpieza como el trifluoruro de nitrógeno, que tiene 17, 000 veces más poder que el dióxido de carbono para contribuir al calentamiento global. Un cambio a la tecnología de grabado en húmedo de silicio negro significaría enormes reducciones en los gases de efecto invernadero, y mejoras en la recuperación de la inversión de energía para los dispositivos fotovoltaicos resultantes. También reduce los costos de capital de comenzar una línea de fábrica en aproximadamente un 10 por ciento, porque reemplaza varias costosas herramientas de vapor al vacío con un simple baño húmedo, Goodrich dijo.

NREL estima que el silicio negro puede reducir los costos de conversión de la celda entre un 4 y un 8 por ciento, utilizando materiales y equipos industriales ampliamente disponibles.

"Eso es grande, Goodrich agregó. "Las personas que están interesadas en esta tecnología reconocen que esa diferencia es un bien inmueble valioso".