Une nouvelle technique de gravure à faible coût développée au Laboratoire national des énergies renouvelables du département de l'Énergie des États-Unis peut percer un billion de trous dans une plaquette de silicium de la taille d'un disque compact.

Au fur et à mesure que les petits trous s'approfondissent, ils font apparaître le silicium gris argenté de plus en plus sombre jusqu'à ce qu'il devienne presque noir pur et capable d'absorber presque toutes les couleurs de lumière que le soleil lui projette.

À température ambiante, la plaquette de silicium noir peut être fabriquée en trois minutes environ. À 100 degrés F, il peut être fait en moins d'une minute.

La percée des scientifiques du NREL conduira probablement à des cellules solaires à moindre coût qui sont néanmoins plus efficaces que celles utilisées sur les toits et dans les panneaux solaires aujourd'hui.

Le magazine R&D a récemment décerné à l'équipe NREL l'un de ses prix R&D 100 pour la gravure chimique par voie humide nanocatalytique au silicium noir. Appelé « les Oscars de l'invention, " les prix R&D 100 récompensent les avancées scientifiques les plus significatives de l'année.

Howard Branz, le chercheur principal du projet, a déclaré que son équipe s'était intéressée à la fin de 2006 après avoir entendu un discours d'un scientifique de l'Université technique de Munich. Le scientifique a décrit comment son équipe avait créé du silicium noir en déposant une fine couche d'or à l'aide d'une technique de dépôt sous vide. Vite, Le scientifique principal du NREL, Qi Wang, et l'ingénieur principal Scott Ward ont fait un essai.

"On roule toujours sur les épaules des autres, " a déclaré Branz. " Nous avons commencé par reproduire l'expérience de Munich. "

Paquets de lumière, Trous d'or

Pensez à la lumière comme venant en petits paquets. Chaque paquet est un photon, qui peut potentiellement être transformé en électron pour l'énergie solaire. Si le photon rebondit sur la surface d'une cellule solaire, c'est de l'énergie perdue. Une partie de la lumière rebondit normalement lorsqu'elle frappe un objet, mais une plaquette en "silicium noir" absorbera toute la lumière qui la frappe.

L'œil humain perçoit la plaquette comme noire car presque aucune lumière du soleil ne se reflète sur la rétine. Et c'est parce que les milliers de milliards de trous dans la surface de la plaquette absorbent bien mieux les longueurs d'onde de la lumière qu'une surface solide.

C'est à peu près la même raison pour laquelle les dalles de plafond trouées absorbent mieux le son que les dalles de plafond sans trous. À la fin du XIXe siècle, les scientifiques avaient déjà fait des expériences pour montrer que ce qui fonctionne pour absorber le son fonctionne également pour absorber la lumière.

L'équipe de Munich a utilisé des techniques d'évaporation qui nécessitent des pompes à vide coûteuses pour déposer une très fine couche d'or, peut-être 10 atomes d'épaisseur, dit Branz. Lorsqu'un mélange de peroxyde d'hydrogène et d'acide fluorhydrique a été versé sur la fine couche d'or, des nanoparticules d'or percées dans la surface lisse de la plaquette, faire des milliards de trous.

L'équipe du NREL a su tout de suite que les pompes à vide et les équipements d'évaporation nécessaires pour déposer l'or étaient trop coûteux pour devenir commercialement viables.

L'objectif de NREL :Simplifier le processus, Réduire le coût

"Notre pensée était que si l'objectif est de le rendre moins cher, nous voulons éviter complètement le dépôt sous vide, " dit Branz.

Dans une série d'informations originales combinées à un certain heureux hasard, Branz et ses collègues Scott Ward, Vern Yost et Anna Duda ont grandement simplifié ce processus.

Plutôt que de jeter l'or avec des aspirateurs et des pompes, pourquoi ne pas simplement le vaporiser ? Ward a suggéré.

Plutôt que de superposer l'or puis d'ajouter le mélange acide, pourquoi ne pas tout mélanger dès le départ ? Dada suggéra.

En combinaison, ces deux suggestions ont donné des résultats encore meilleurs.

Les scientifiques ont mis une solution en suspension de nanoparticules d'or, appelé or colloïdal, à la surface du silicium, et laissez l'eau s'évaporer pendant la nuit pour ne laisser que l'or, qui a ensuite gravé dans la plaquette. La plaquette est devenue presque aussi noire qu'avec l'or évaporé.

Un accident chanceux

Puis, comme c'est souvent le cas avec les percées scientifiques importantes, un heureux hasard est entré.

Le technicien et chimiste du NREL Vern Yost a remarqué après un certain temps qu'il n'obtenait pas d'aussi bons résultats, et a supposé que c'était parce qu'un vieux lot de nanoparticules colloïdales s'était en quelque sorte regroupé. Alors il a essayé de les séparer avec de l'eau régale, un mélange hautement corrosif d'acide nitrique et d'acide chlorhydrique. Aqua regia est le latin pour l'eau royale, et fait référence à un liquide qui peut dissoudre les métaux royaux tels que l'argent et l'or.

Le traitement à l'eau régale a permis au processus de fonctionner mieux que jamais, et une petite enquête a trouvé que l'eau régale avait réagi avec l'or pour former une solution d'acide chloraurique.

Voila ! L'acide chloroaurique est moins cher que l'or colloïdal et est en fait le précurseur chimique que l'industrie utilise pour fabriquer de l'or colloïdal.

Le même résultat de gravure sur silicium noir pourrait-il être obtenu en substituant l'acide chloroaurique peu coûteux à l'or colloïdal coûteux, puis le mélanger comme avant avec du peroxyde d'hydrogène et de l'acide fluorhydrique ? se demandèrent Yost et Branz.

Oui, ça a marché. "L'acide chloroaurique est beaucoup moins cher que l'or colloïdal, " a déclaré Branz. " En substance, en sautant quelques étapes, ils ont pu fabriquer des nanoparticules d'or à partir de l'acide chloraurique en même temps qu'ils gravaient des trous dans le silicium avec l'or qu'ils avaient fabriqué. »

Une fois le concept compris et le mélange de matériaux résolu, la fabrication réelle d'une plaquette de silicium noir est devenue assez simple.

"Tu prends un bécher, mettre une plaquette de silicium dedans, verser l'acide chloraurique, verser l'acide fluorhydrique et le peroxyde d'hydrogène, et attendre, " dit Branz.

A peine 20 secondes plus tard, la plaquette de silicium argenté devient noire.

"Notre méthode donne un silicium plus noir et remplacerait un système de dépôt sous vide coûteux par un seul, pas cher, étape de gravure humide, " dit Branz.

Un processus moins cher fait également un meilleur matériau

Ils ont testé leur silicium noir et ont découvert que la recette beaucoup moins coûteuse contenant de l'acide chloraurique réduisait rapidement la réflexion indésirable à moins de 2 %. L'approche la plus coûteuse utilisant des couches antireflet de nitrure de silicium classiques s'est arrêtée à environ 3 à 7 pour cent de réflexion. En prime, Le silicium noir empêche bien mieux la réflexion de la lumière du soleil du matin et de l'après-midi à faible angle que la couche antireflet conventionnelle.

Pour comprendre pourquoi leur approche peu coûteuse a si bien fonctionné, l'équipe a fait appel à l'expert en optique du NREL et scientifique principal Paul Stradins et aux microscopistes électroniques du NREL Bobby To et Kim Jones. Le trio a découvert que le silicium noir étouffait si bien la réflexion parce que les trous étaient de diamètre plus petit que les longueurs d'onde solaires.

C'est crucial, car si les trous étaient aussi gros que ces longueurs d'onde lumineuses, les rayons lumineux reconnaîtraient une "interface pointue, " comme ils le feraient s'ils rencontraient un comptoir en acier inoxydable. Toute interface pointue fait réfléchir la lumière du soleil sur la surface avant qu'elle ne puisse pénétrer dans la cellule solaire et se transformer en électricité.

Une autre raison pour laquelle la lumière du soleil ne ressent jamais une interface nette lorsqu'elle frappe le silicium est que tous ces milliards de trous sont percés à des profondeurs différentes, en raison du caractère aléatoire de la vitesse de gravure de chaque nanoparticule. En raison des profondeurs variables des trous, les rayons passent très progressivement de l'air au silicium. La lumière ne rencontre jamais un changement brusque de l'air à la surface solide, donc il ne rebondit pas sur la plaquette.

Mais cela fonctionnera-t-il dans une cellule solaire ?

Ensuite, il y avait le formidable défi d'utiliser la technologie pour fabriquer une cellule solaire exploitable.

Hao Chi Yuan, un chercheur postdoctoral, a été ajouté à l'équipe pour trouver la meilleure façon d'intégrer ce nouveau type de silicium dans une cellule solaire, fabriquer les cellules solaires et déterminer les forces et les faiblesses de ce nouveau type de cellule. Yuan, avec Yost, Branz et l'ingénieur NREL Matthew Page ont travaillé pour déterminer les profondeurs et les diamètres idéaux des trous si l'objectif est de transformer les photons en électrons.

Pour maintenir une cellule solaire à ou près du taux d'efficacité record de 16,8% qu'ils avaient atteint, ils se sont rendu compte que les trous devaient adhérer au principe des « Boucles d'or ». Les trous doivent être "juste" :suffisamment profonds pour bloquer les reflets, mais pas si profondément qu'ils gâchent la cellule solaire.

Spécifiquement, ils ont trouvé que les meilleurs résultats se sont produits lorsque les billions de trous étaient en moyenne d'environ 500 nanomètres ou d'un demi-micron de profondeur, et leurs diamètres juste un peu plus étroits que la plus petite longueur d'onde de la lumière. (Comment petit ? Le diamètre de 40 trous, additionnés, serait l'épaisseur d'un cheveu humain.)

Si les trous étaient beaucoup plus profonds, la cellule solaire aurait du mal à extraire tous les électrons générés par le soleil. L'efficacité serait si faible que personne ne voudrait mettre les cellules sur son toit.

Heureusement, cette combinaison de profondeur et de diamètre peut être obtenue avec un trempage humide de 3 minutes à température ambiante.

L'industrie est vivement intéressée

Bien qu'ils soient moins chers à fabriquer, Les meilleures cellules solaires de NREL sont encore quelques dixièmes de pour cent moins efficaces que le type conventionnel. Mais la faible réflexion signifie qu'un saut d'efficacité photovoltaïque d'au moins 1 point de pourcentage pourrait être atteint. L'équipe travaille toujours pour arracher un peu plus d'efficacité aux cellules de silicium noir. Le monde des cellules solaires est devenu un jeu de pouces, Branz a dit, donc "même une augmentation d'un demi-point de pourcentage d'efficacité à un coût réduit serait énorme."

Les sociétés de cellules solaires sont intéressées par une licence de la technologie de NREL.

"Nous avons eu plusieurs entreprises qui sont venues visiter ici pour en savoir plus à ce sujet, " Chris Harris, directeur associé des licences dans la division de commercialisation et de transfert de technologie de NREL, mentionné. « L'intérêt est élevé.

« C'est certainement un avantage important dans une industrie où tout le monde est en concurrence pour des parts de marché et le coût par watt est une caractéristique de vente clé, " a ajouté Harris. " Le silicium noir offre un avantage supplémentaire en plus de toutes les autres améliorations d'efficacité qu'une entreprise peut obtenir. "

Al Goodrich, un analyste principal des coûts pour la division de fabrication photovoltaïque de NREL, ont découvert que la fabrication des plaquettes de silicium noir nécessite environ un tiers d'énergie de moins que l'ajout de la couche antireflet conventionnelle à la cellule solaire finie.

Le processus en une seule étape est également beaucoup plus facile pour l'environnement.

La technologie remplacerait un procédé qui utilise du gaz silane dangereux, ainsi que des gaz de nettoyage tels que le trifluorure d'azote, qui en a 17, 000 fois plus de punch que le dioxyde de carbone pour contribuer au réchauffement climatique. Un passage à la technologie de gravure humide au silicium noir signifierait d'énormes réductions des gaz à effet de serre, et des améliorations dans la récupération d'énergie pour les appareils photovoltaïques qui en résultent. Il réduit également les coûts d'investissement de démarrage d'une ligne d'usine d'environ 10 pour cent, car il remplace plusieurs outils à vapeur sous vide coûteux par un simple bain humide, dit Goodrich.

NREL estime que le silicium noir peut réduire les coûts de conversion des cellules de 4 à 8 %, tout en utilisant des matériaux et des équipements industriels largement disponibles.

"C'est gros, " Goodrich a ajouté. " Les personnes qui s'intéressent à cette technologie reconnaissent que cette différence est un bien immobilier de valeur. "