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Le silicium noir rend les cellules solaires moins chères
Un simple traitement chimique pourrait remplacer les coûteux revêtements antireflet des cellules solaires, réduisant ainsi le coût des panneaux de silicium cristallin. Le traitement, une immersion en une étape dans un bain chimique, crée une couche hautement antireflet de silicium noir à la surface des plaquettes de silicium, et cela ne coûterait que quelques centimes par watt, selon des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL). Ils l'ont utilisé pour créer des cellules solaires en silicium noir qui correspondent à l'efficacité des cellules en silicium conventionnelles sur le marché.
Le solaire devient noir : Ces deux cellules solaires ont été fabriquées sur une plaquette de silicium traitée pour créer une surface de silicium noir antireflet. Les zones argentées autour des cellules sont d'une couleur différente car la couche noire très absorbante a été gravée.
Les plaquettes de silicium cristallin utilisées pour fabriquer les cellules solaires d'aujourd'hui sont traitées pour créer une surface texturée, puis recouvertes d'une couche antireflet, généralement du nitrure de silicium, à l'aide de procédés sous vide poussé. Cette couche supplémentaire augmente la valeur d'une cellule solaire en améliorant son efficacité - elle supprime la réflexion de sorte que davantage de photons pénètrent réellement dans la plaquette de silicium au lieu de rebondir sur sa surface, augmentant ainsi le flux d'électricité hors de la cellule. Mais la couche supplémentaire ajoute également à la dépense. Nous pensons que cela peut être moins cher, dit Howard Branz , scientifique principal en matériaux et dispositifs en silicium au NREL. Même avec un revêtement, les cellules solaires au silicium de la meilleure qualité reflètent généralement 3 % de la lumière qui les frappe. Le laboratoire de Branz développe des moyens peu coûteux de créer du silicium noir, qui ne reflète presque pas la lumière.
Les cellules solaires prototypes fabriquées au NREL ont la meilleure efficacité jamais rapportée pour les cellules au silicium noir. Les cellules en silicium monocristallin à surface noire et sans revêtement antireflet supplémentaire convertissent 16,8 % de la lumière qui les frappe en électricité, à peu près le même rendement offert par une cellule solaire en silicium cristallin typique recouverte d'un matériau antireflet. Le précédent record pour les cellules en silicium noir était de 13,9%.
Pour remplacer les procédés de dépôt sous vide utilisés pour traiter la surface d'une plaquette de silicium, le laboratoire de Branz a développé un procédé chimique qui peut être effectué à température et pression ambiantes à l'aide d'équipements déjà sur place dans les usines de panneaux solaires. Une plaquette est immergée dans un bain contenant une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène, d'acide fluorhydrique et d'acide chloroaurique, qui est composé d'hydrogène, de chlore et d'or. La petite quantité d'or dans le bain acide agit comme un catalyseur pour les réactions chimiques. On ne sait pas exactement quelles sont les réactions chimiques, mais elles conduisent à la formation de nanoparticules d'or qui forent des nanotrous à différentes profondeurs dans la plaquette. Branz dit que l'or peut être réutilisé encore et encore.
Ce processus de gravure prend trois minutes à température ambiante et moins d'une minute à 40 ºC. Le résultat est une plaquette de silicium noire hautement absorbante dont la surface est criblée de minuscules tunnels de profondeurs variables. Les pores créent une surface sans arêtes vives pour refléter la lumière, et la variation de leur profondeur est essentielle, car la longueur des tunnels détermine la longueur d'onde de la lumière avec laquelle il interagira. La variation de la longueur du tunnel permet à la surface de piéger un large spectre de lumière.
Plusieurs groupes développent du silicium noir pour les cellules solaires et autres dispositifs optiques. D'autres ont utilisé un processus en plusieurs étapes pour créer les réactions de tunnellisation du silicium, en commençant par placer des particules métalliques sur la surface d'une plaquette, puis en ajoutant les acides. Nous le faisons en une seule étape liquide qui ne nécessite aucun processus de vide, explique Branz. Beverley, startup basée à MA SiOnyx utilise des impulsions laser pour générer de minuscules cônes sur des surfaces de silicium. Leur formule pour le silicium noir crée un matériau différent de celui du NREL, mais avec des propriétés similaires. Cofondateur de l'entreprise et scientifique principal Jacques Carey dit que la société espère entrer sur le marché d'ici un an. Carey ne divulgue pas les efficacités photovoltaïques que SiOnyx a obtenues grâce à son procédé.
Les bains utilisés dans les usines d'aujourd'hui pour nettoyer les cellules solaires entre les étapes de gravure pourraient être utilisés pour créer le revêtement de silicium noir, dit Branz, ce qui signifie que ce processus pourrait être adopté par les fabricants à très faible coût. L'agence a déposé des brevets sur le procédé.