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El silicio negro hace que las células solares sean más baratas
Un simple tratamiento químico podría reemplazar los costosos revestimientos de células solares antirreflectantes, reduciendo el costo de los paneles de silicio cristalino. El tratamiento, una inmersión de un solo paso en un baño químico, crea una capa altamente antirreflectante de silicio negro en la superficie de las obleas de silicio, y costaría solo centavos por vatio, dicen los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). Lo han utilizado para crear células solares de silicio negro que igualan la eficiencia de las células de silicio convencionales del mercado.
Solar se vuelve negro: Estas dos células solares se fabricaron en una oblea de silicio tratada para crear una superficie de silicio negro antirreflectante. Las áreas plateadas alrededor de las células son de un color diferente porque la capa negra altamente absorbente ha sido eliminada.
Las obleas de silicio cristalino que se utilizan para fabricar las células solares actuales se tratan para crear una superficie texturizada y luego se recubren con una capa antirreflectante, generalmente nitruro de silicio, mediante procesos de alto vacío. Esta capa adicional aumenta el valor de una célula solar al mejorar su eficiencia: suprime la reflexión para que más fotones entren en la oblea de silicio en lugar de rebotar en su superficie, aumentando el flujo de electricidad fuera de la célula. Pero la capa adicional también aumenta el gasto. Creemos que puede ser más económico, dice Howard Branz , científico principal en materiales y dispositivos de silicio en NREL. Incluso con un recubrimiento, las células solares de silicio de mejor calidad suelen reflejar el 3 por ciento de la luz que las golpea. El laboratorio de Branz está desarrollando formas económicas de crear silicio negro, que casi no refleja la luz.
Las células solares prototipo fabricadas en NREL tienen la mejor eficiencia jamás reportada para las células de silicio negro. Las células de silicio monocristalino con la superficie negra y sin revestimiento antirreflectante adicional convierten el 16,8 por ciento de la luz que las golpea en electricidad, aproximadamente la misma eficiencia que ofrece una célula solar de silicio cristalino típica recubierta con material antirreflectante. El récord anterior de celdas de silicio negro fue del 13,9 por ciento.
Para reemplazar los procesos de deposición al vacío utilizados para tratar la superficie de una oblea de silicio, el laboratorio de Branz desarrolló un proceso químico que se puede realizar a temperatura y presión ambiente utilizando equipos que ya se encuentran en el lugar en las fábricas de paneles solares. Se sumerge una oblea en un baño que contiene una solución acuosa de peróxido de hidrógeno, ácido fluorhídrico y ácido cloroáurico, que se compone de hidrógeno, cloro y oro. La pequeña cantidad de oro en el baño ácido actúa como catalizador de reacciones químicas. No está claro exactamente cuáles son las reacciones químicas, pero conducen a la formación de nanopartículas de oro que perforan nanoagujeros a diferentes profundidades en la oblea. Branz dice que el oro se puede reutilizar una y otra vez.
Este proceso de grabado tarda tres minutos a temperatura ambiente y menos de un minuto a 40 ºC. El resultado es una oblea de silicio negra muy absorbente cuya superficie está plagada de pequeños túneles de diferentes profundidades. Los poros crean una superficie sin bordes afilados para reflejar la luz, y la variación en su profundidad es clave, porque la longitud de los túneles determina con qué longitud de onda de luz interactuará. La variación en la longitud del túnel permite que la superficie atrape un amplio espectro de luz.
Varios grupos están desarrollando silicio negro para células solares y otros dispositivos ópticos. Otros han utilizado un proceso de varios pasos para crear las reacciones de túnel de silicio, comenzando colocando partículas de metal sobre la superficie de una oblea y luego agregando los ácidos. Lo estamos haciendo en un solo paso líquido que no requiere ningún proceso de vacío, dice Branz. Startup con sede en Beverley, MA SiOnyx utiliza pulsos de láser para generar conos diminutos en superficies de silicio. Su fórmula para el silicio negro crea un material diferente al de NREL, pero con propiedades similares. Cofundador de la empresa y científico principal James Carey dice que la compañía espera ingresar al mercado dentro de un año. Carey no quiso revelar qué eficiencias fotovoltaicas ha logrado SiOnyx utilizando su proceso.
Los baños que se utilizan en las fábricas actuales para limpiar las células solares entre los pasos de grabado podrían usarse para crear el revestimiento de silicio negro, dice Branz, lo que significa que los fabricantes podrían adoptar este proceso a un costo muy bajo. La agencia ha solicitado patentes sobre el proceso.