Gouttelettes de cuivre en fusion, en haut, dissoudre le silicium d'un gaz environnant riche en silicium, puis le silicium précipite au fond de la goutte pour former progressivement un microfil de silicium. Cette image au microscope a été colorée pour plus de clarté. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Tonio Buonassisi
Les microfils en silicium - de minuscules fils d'une épaisseur comparable à un cheveu humain - ont un large éventail d'utilisations possibles, y compris la production de cellules solaires capables de récolter beaucoup plus de lumière solaire pour une quantité donnée de matériau qu'une cellule solaire conventionnelle fabriquée à partir d'une fine plaquette de cristal de silicium. Maintenant, des chercheurs du MIT et de Penn State ont trouvé un moyen de produire de tels fils en quantité d'une manière hautement contrôlée qui pourrait être étendue à un processus à l'échelle industrielle, potentiellement conduire à des applications commerciales pratiques.
D'autres manières de réaliser de tels fils sont déjà connues, et des prototypes de cellules solaires fabriqués à partir d'eux ont été produits par plusieurs chercheurs. Mais ces méthodes ont de sérieuses limites, dit Tonio Buonassisi, Professeur de génie mécanique au MIT et co-auteur d'un article sur le nouveau travail récemment publié en ligne dans la revue Petit , et apparaîtra bientôt dans l'édition imprimée. La plupart nécessitent plusieurs étapes de fabrication supplémentaires, offrent peu de contrôle sur les tailles exactes et l'espacement des fils, et ne travaillez que sur des surfaces planes. Par contre, le nouveau processus est simple mais permet un contrôle précis des dimensions et de l'espacement des fils, et pourrait théoriquement être fait sur n'importe quel type de courbe, Surface 3D.
On pense que les microfils sont capables d'atteindre des rendements proches de ceux des cellules solaires conventionnelles pour convertir la lumière du soleil en électricité, mais parce que les fils sont si petits qu'ils le feraient en n'utilisant qu'une petite fraction de la quantité de silicium coûteux nécessaire pour les cellules conventionnelles, réalisant ainsi potentiellement d'importantes réductions de coûts.
En plus de l'utilisation potentielle des microfils dans les cellules solaires, d'autres chercheurs ont proposé des moyens d'utiliser de tels fils microscopiques pour construire de nouveaux types de transistors et de circuits intégrés, ainsi que des électrodes pour batteries avancées et certains types de dispositifs de surveillance environnementale. Pour que l'une de ces idées soit pratique, cependant, il doit y avoir un efficace, méthode de fabrication évolutive.
La nouvelle méthode consiste à chauffer et à contaminer intentionnellement la surface d'une plaquette de silicium avec du cuivre, qui diffuse dans le silicium. Puis, lorsque le silicium se refroidit lentement, le cuivre se diffuse pour former des gouttelettes à la surface. Puis, lorsqu'il est placé dans une atmosphère de gaz tétrachlorure de silicium, les microfils de silicium commencent à pousser vers l'extérieur partout où il y a une goutte de cuivre à la surface. Le silicium dans le gaz se dissout dans ces gouttelettes de cuivre, puis après avoir atteint une concentration suffisante commence à précipiter au fond de la gouttelette, sur la surface de silicium ci-dessous. Cette accumulation de silicium s'allonge progressivement pour former des microfils chacun d'environ 10 à 20 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre, grandir de la surface. L'ensemble du processus peut être effectué à plusieurs reprises à une échelle de fabrication industrielle, Buonassisi dit, voire potentiellement adaptables à un processus continu.
L'espacement des fils est contrôlé par les textures créées à la surface - de minuscules fossettes peuvent former des centres pour les gouttelettes de cuivre - mais la taille des fils est contrôlée par les températures utilisées pour l'étape de diffusion du processus. Ainsi, contrairement à d'autres méthodes de production, la taille et l'espacement des fils peuvent être contrôlés indépendamment les uns des autres, dit Buonassisi.
Cette nouvelle technique de croissance des microfils permet de produire des brins très longs par rapport à leur diamètre. Le « capuchon » arrondi au sommet du fil est une goutte de cuivre fondu, tandis que le fil lui-même est en silicium pur. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Tonio Buonassisi
Le travail accompli jusqu'à présent n'est qu'une preuve de principe, il dit, et il reste encore du travail à faire pour trouver les meilleures combinaisons de profils de température, concentrations de cuivre et motifs de surface pour diverses applications, puisque le processus permet des différences d'ordres de grandeur dans la taille des fils. Par exemple, il reste à déterminer quelle épaisseur et quel espacement des fils produisent les cellules solaires les plus efficaces. Mais ce travail démontre un potentiel pour une sorte de cellule solaire basée sur de tels fils qui pourrait considérablement réduire les coûts, à la fois en permettant l'utilisation de qualités inférieures de silicium (c'est-à-dire, moins raffiné), puisque le processus de croissance du fil aide à purifier le matériau, et en utilisant des quantités beaucoup plus petites de celui-ci, puisque les minuscules fils ne sont constitués que d'une infime fraction de la quantité nécessaire pour les plaquettes de cristal de silicium conventionnelles. "C'est encore à un stade très précoce, " Buonassisi dit, car en décidant d'une configuration pour une telle cellule solaire « il y a tellement de choses à optimiser ».
Michel Kelzenberg, un chercheur postdoctoral au California Institute of Technology qui a passé les cinq dernières années à faire des recherches sur les microfils de silicium, dit que tandis que d'autres ont utilisé la technique des gouttelettes de cuivre pour faire pousser des microfils, "Ce qui est vraiment nouveau ici, c'est la méthode de production de ces gouttelettes de métal liquide." Alors que d'autres ont dû placer les gouttelettes de cuivre fondu sur la plaque de silicium, nécessitant des étapes de traitement supplémentaires, « Buonassisi et ses collègues ont montré que le métal peut être diffusé au préalable dans le substrat de croissance, et grâce à un chauffage et un refroidissement soigneux, les gouttelettes de métal se formeront d'elles-mêmes - avec la bonne position et la bonne taille.
Kelzenberg ajoute que son groupe de recherche a récemment démontré que les cellules solaires à microfils de silicium peuvent égaler l'efficacité des cellules solaires commerciales typiques d'aujourd'hui. "Je pense que le plus grand défi restant est de montrer que cette technique est plus rentable ou autrement bénéfique que d'autres méthodes de production de métal catalyseur, " dit-il. Mais globalement, il dit, certaines versions de la technologie des microfils en silicium « ont le potentiel de permettre des réductions de coûts spectaculaires » des panneaux solaires.
L'article a été co-écrit par Vidya Ganapati '10, doctorant David Fenning, stagiaire postdoctorale Mariana Bertoni, et spécialiste de recherche Alexandria Fecych, tous dans le département de génie mécanique du MIT, et le chercheur postdoctoral Chito Kendrick et le professeur Joan Redwing de la Pennsylvania State University. Le travail a été soutenu par le département américain de l'Énergie, la Fondation de la famille Chesonis et la National Science Foundation.
