Goedkopere en betere zonnecellen die vol kleine kuiltjes zitten

Onderzoekers aan de U.S. Deparment of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om zonnecellen te produceren. Ze gebruiken een nieuwe, zeer goedkope ets methode waarmee er miljarden kleine kuiltjes gemaakt kunnen worden in een wafer van silicium die even groot is als een cd-rom. Een wafer is een dunne plak monokristallijn halfgeleidermateriaal, hier nu silicium, en wordt gebruikt in de microelektronica waarop geïntegreerde schakelingen geconstrueerd kunnen worden door middelen van dopering technieken van verschillende materialen. Tijdens deze dopering worden er dus andere materialen ofwel onzuiverheden ingebracht zodat er specifieke eigenschappen verkregen worden. Al deze kleine kuiltjes zorgen ervoor dat de wafer er donker grijs uitziet in plaats van dat deze mooi blinkt. De bijna zwarte kleur ontstaat doordat het materiaal nu in staat is om bijna alle invallende stralen van het licht te absorberen. Bij kamertemperatuur kan men deze zwarte wafer van silicium maken in slechts 3 minuten. Indien men de wafer opwarmt tot 40°C, kan men deze produceren in minder dan één minuut tijd. Deze doorbraak kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe, zeer goedkope zonnecellen, die ook nog eens een veel hoger rendement zouden hebben dan degene die ontwikkeld zijn met de huidige technologieën.

De halfgeleidermaterialen zetten het invallende zonlicht om in elektriciteit. Dit gebruikt doordat het invallende licht eigenlijk bestaat uit fotonen. Fotonen zijn een verschijningsvorm van elektromagnetische straling, zoals bijvoorbeeld het zonlicht. Wanneer deze fotonen invallen op het halfgeleidermateriaal zijn botsen deze met de elektronen, die zich in het materiaal bevinden. Tijdens deze botsingen wordt de energie die een foton bevat doorgegeven aan het elektron. Wanneer die hoeveelheid energie groot genoeg, zal het elektronen gaan bewegen doorheen het materiaal. En deze bewegende elektronen vormen eigenlijk een elektrische stroom. Normaal gezien weerkaatst een gedeelte van de elektromagnetische stralen van de zon op het oppervlak van een zonnecel, dit zorgt voor een lagere opbrengst aan elektrische energie. Doordat het oppervlak vol met kleine kuiltjes zit van deze nieuwe wafer, worden de stralen met een golflengte vanuit het spectrum van de zonlicht, beter geabsorbeerd. De hogere absorptie komt door hetzelfde effect waarom er in de geluidsabsorberende materialen in opnamestudio's ook kuiltjes zitten, maar hier zijn deze wel groter. Heel lang geleden hebben wetenschappers al aangetoond met verschillende experimenten dat wat leidt tot de hogere absorptie van het geluid ook geldig is voor licht.

Een ander onderzoeksteam uit München heeft ook een productie methode ontwikkeld voor het verkrijgen van dergelijke kleine kuiltjes in een wafer. Maar bij hun methode werd er gebruik gemaakt van een verdampingstechnieken waarvoor er dure vacuüm pompen nodig waren om een dunne goudlaag, van een tiental atomen dik, op de wafer aan te brengen. Daarna werd er een mengsel van waterstofperoxide en fluorwaterstofzuur over de goudlaag gegoten, dit zorgde ervoor dat kleine nano-gouddeeltjes uit de goudlaag zich in het gladde oppervlak van de wafer gaan boren waardoor er miljarden kleine gaatjes ontstaan. Deze methode is vrij omslachtig door de verdampingstechnieken voor het aanbrengen van de goudlaag. Het team onderzoekers van NREL bedacht een manier om vacuümpompen en de verdampingstechnieken overbodig te maken zodat deze techniek veel goedkoper kan toegepast worden. De kost is nu heel wat lager, en waarschijnlijk laag genoeg om zonnepanelen te kunnen maken die kunnen concurreren met de andere energiebronnen op de energiemarkt.

Bij deze nieuwe productie methode wordt de goudlaag niet aangebracht via een verdampingstechniek maar wordt de laag er op gespoten. Het goud wordt samen met het mengsel van waterstofperoxide en fluorwaterstofzuur, in één stap, op het oppervlak van de wafer gespoten. Het mengsel werd aangebracht, dan liet men het een nachtje zijn werk doen en tegen 's morgens zijn de chemicaliën verdampt, waardoor enkel de gouddeeltjes overblijven die nu allemaal kleine kuiltjes geëtst hebben in het oppervlak van de wafer. Maar tijdens het verder uittesten van deze nieuwe methode, verkregen de onderzoekers niet onmiddellijk de gewenste resultaten. Men had het vermoeden dat dit te wijten was doordat de gouddeeltjes in het mengsel, die op het oppervlak gespoten wordt, samenklonteren. In een poging om het samenklonteren te voorkomen voegde men koningswater toe aan het mengsel. Koningswater is een mengsel van geconcentreerd zoutzuur en geconcentreerd salpeterzuur. Het wordt koningswater genoemd omdat goud, "de koning der metalen", erin oplost. Door het toevoegen van het koningswater waren de resultaten van de testen veel beter dan voordien. De onderzoekers zochten naar de oorzaak hiervan en ontdekten dat het koningswater een chemische reactie aangaat met het goud waarbij er chloroauric zuur (HAuCl4) gevormd wordt. Chloroauric zuur is veel goedkoper dan het mengsel met de gouddeeltjes die men eerder gebruikte. Daarom probeerde men om de kleine gaatjes te verkrijgen met dezelfde methode maar waarbij het mengsel met de gouddeeltjes is weggelaten en vervangen door het chloroauric zuur. Uit de testen bleek dat het op deze manier ook werkt en het is zelfs zo dat de wafer 'zwarter' is of anders gezegd dat er nog meer kleine kuiltjes in het oppervlak zijn. Deze laatste methode is veel goedkoper dan de eerste en er kunnen een aantal stappen overgeslagen worden.

Deze nieuwe wafer met al de kleine kuiltjes beperkt de ongewenste reflectie van de zonnestralen tot minder dan 2%. Ook worden de stralen die invallen onder een kleine hoek, zoals de zonnestralen wanneer de zon opkomt en ondergaat, veel meer geabsorbeerd dan bij de conventionele anti-reflectie lagen. Deze uitstekende absorptie is te wijten aan het feit dat de diameter van de kleine kuiltjes kleiner zijn dat de lengte van de golflengtes van de zonnestralen. Dit is cruciaal omdat indien de kuiltjes even groot of groter waren geweest dan zouden de lichtstralen het oppervlak als 'scherp' ervaren, net alsof ze een glad oppervlak ervaren. Een deel van de lichtstralen zouden dan weerkaatsen nog voordat het halfgeleidermateriaal de kans zou gekregen hebben om er elektriciteit mee op te wekken. Een andere reden voor de hoge absorptie is dat de kuiltjes allemaal een lichtjes verschillende diepte hebben. Dit zorgt er voor dat de lichtstralen geen abrupte overgang ervaren van de lucht naar het silicium, wat ervoor zorgt dat er minder lichtstralen weerkaatst worden.

De volgende uitdaging voor de onderzoekers is om de technologie verder te gaan ontwikkeling zodat deze kan gebruikt worden op commerciële schaal. Hiervoor is er nog verdere ontwikkeling en experimenten nodig zodat met alle factoren die hierbij een rol spelen uitvoerig kan onderzoeken. Verschillende bedrijven die zonnecellen produceren hebben al interesse getoond in deze technologie.

via [nrel]