MØRKt Lys Et bachelorprojekt i FYSIK Se den på Videnmasse.dk
111
MØRKT LYS VEJEN MOD NANOSTRUKTUREREDE SOLCELLER Af Daniel Bøgh Drasbæk
Hjerneblod 104
2/2014
Mørkt Lys 105
D
e seneste ti år har vi set en stor stigning i interessen for grøn energi. Nok især med udgangspunkt i bekymringen over den globale opvarmning og de begrænsede mængder af fossile brændstoffer. Et af de mest lovende alternativer er solceller. Men solceller er endnu ikke effektive nok til at erstatte fossile brændstoffer. Hvis man vil et skridt nærmere dét mål, må man reducere mængden af tabt energi. Lige nu udnytter vi typisk blot omkring 15 % af solenergien, det tal skulle gerne blive noget højere i fremtiden. Det kan bl.a. gøres ved at reducere refleksionen af solcellens overflade og dermed minimere tabet af energi. Man kunne også sige, at vi skal blive bedre til at fange lys med vores solceller. Det kan man gøre ved at ændre på solcellens nanoskopiske struktur, og det er lige netop, hvad vi arbejder med i mit projekt. Hjerneblod
106
2/2014
Dannelsen af den nanostrukturerede overflade kan laves ved hjælp af anodisering (se faktaboks 1). Det første forsøg, vi lavede, var med aluminium, da rent silicium kan være ret kostbart. Anodiseringen af aluminium vil efter 24 timer resultere i en oxideret overflade, der ikke – som man umiddelbart ville tro - er kaotisk, men derimod meget struktureret. Hvorfor denne selvorganiserede struktur opstår, ved vi stadig ikke, men et godt bud er, at det skyldes en form for ligevægt mellem dannelsen og opløsningen af aluminiumsoxid. Den struktur, der dannes i processen, kan karakteriseres som nanoporer, der er arrangeret i et hexagonalt mønster. Selvom vi har kendt til aluminiumoxid siden begyndelsen af 1900-tallet, opdagede man først denne påfaldende struktur så sent som 1995.
Ved hjælp af en ganske simpel opsætning lavede vi denne anodisering og opnåede rigtig gode resultater. De kan ses på figur 1a og 1b. Det er meget tydeligt, at hver eneste pore er omringet af seks andre porer og danner et hexagonalt mønster. Den gennemsnitlige afstand mellem disse porer er i øvrigt 104 nanometer. I projektet var ideen at fortsætte denne oxidering ned i silicium. Hvis det er muligt at overføre denne nanostruktur til silicium, kan man nemlig hæve effektiviteten i solceller betydeligt.
Processen er i sig selv nem at beskrive. Ved at lægge et tyndt lag aluminium på en siliciumoverflade kan man, når man anodiserer, fortsætte processen ned igennem grænseoverfladen. Desværre er det ikke helt så enkelt, som det lyder. Denne proces forudsætter nemlig, at der slet ingen urenheder er i grænsefladen mellem aluminium og silicium, så der er fuld kontakt mellem dem. Vi måtte derfor ’dampe’ aluminiummet på overfladen ved at anvende en teknik kaldet ion-sputtering (se faktaboks 2). Men det var ikke helt ligetil.
Mørkt Lys 107
siliciumsprøven. Det var desværre ikke muligt at skabe en helt perfekt grænseflade mellem aluminiumsfilmen og siliciummet. Men vi fortsatte ikke desto mindre forsøget. For at ændre overfladen i en mere favorabel retning varmede vi bl.a. prøverne til 450 grader i en argonatatmosfære i ikke mindre end 90 minutter. Det er faktisk aldrig prøvet før, og det gav overraskende gode resultater. Vi arbejdede videre med overfladen, anodiserede i samme syre men ved en lavere spænding.
Normalt bruger man ion-sputtering til at lægge mellem 0,05 til 0,1 mikrometer på en overflade. Men vi havde brug for at lægge hele 2 mikrometer på siliciummet. Problemet var, at aluminiumsfilmen nogle steder gav slip på overfladen, så der ikke var den nødvendige kontakt mellem aluminiumsfilmen og
Hjerneblod 108
2/2014
For at undersøge om anodiseringen var fortsat igennem grænseoverfladen og ned i siliciummet, anvendte vi et elektronmikroskop. Et almindeligt lysmikroskop er ikke nok, da strukturen er i nanostørrelse og umulig at evaluere ved hjælp af lys og med det blotte øje.
For at give læseren en forståelse af, hvor små størrelser, der arbejdes med, kan der sammenlignes med den gennemsnitlige tykkelse af et menneskehår, som er 0,1 mm. Diameteren af de porer, som bliver dannet ved anodiseringen af aluminium er omkring 10 nm. Denne diameter er altsa så lille, at man skal opdele tykkelsen af et menneskehår i 100.000 stykker for, at det vil kunne passe ned i en af porerne! Elektronmikroskopet ’ser’ ved hjælp af elektroner i stedet for almindelig lys. Det betyder, at der skal trækkes en strøm over prøven, når den observeres i elektronmikroskopet. Da hverken aluminium- eller siliciumoxid er ledende materialer, er det nødvendigt at tilføre et tyndt lag guld til overfladerne, så de kan lede strømmen væk. Hvis man ikke gør det, bliver prøverne sandsynligvis beskadiget og ubrugelige. Ikke desto mindre skulle denne guldcoatning give os problemer. Prøverne skulle dækkes med 500 Å guld (1 Å = 10·10-10m), men porerne i de anodiserede prøver var ikke mere end 200 Å dyb. Det betød, at vi nærmest fik den omvendte effekt.
Hvor der skulle have været porer fik, vi i stedet kupler. Kuplerne kan ses tydeligt i figur 3 og 4. Kuplerne kunne vi ikke bruge til noget, da de ikke hjælper med til at effektivisere effektiviteten i solcellerne. Resultaterne fra mit bachelorprojekt viser, at vi har mulighed for at lave en delvis anodisering ned gennem grænsefladen og ind i siliciummet. Resultaterne var ikke perfekte, men det ser ud som om, at vi med et mere intensivt arbejde og grundig forskning faktisk kan perfektionere processen. Hvis det lykkes for os, vil det i fremtiden være muligt at anvende denne struktur til at danne søjler af siliciumcarbid i overfladen gennem en katalyseret proces. Søjlerne vil dermed være i kontakt med silicium i bunden, hvad der vil øge effektiviteten af solcellen betydeligt. Men før denne katalyseproces er mulig, skal vi lave en såkaldt barrierefortynding.
Mørkt Lys 109
Denne barrierefortynding udfører man ved hjælp af en anodisering ved en meget lav spænding. Den proces danner meget små porer i bunden af de store porer, som gør det muligt at se bort fra barrierelaget i bunden af porerne. Derudover er det også nødvendigt at udføre såkaldt wet-etching for at fjerne siliciumoxidet ved hjælp af den middelstærke flussyre, som efterlader siliciummet og siliciumcarbidet intakt (se en skematisk illustration af denne proces i figur 3): Til sidst et eksempel for at give læseren en forståelse af, hvor mange gange større overfladen bliver ved at udføre denne anodisering: Efter afslutningen på mit bachelorprojekt foretog vi en approksimativ måling af overfladen ved hjælp af adsorption af nitrogengas. Hjerneblod 110
2/2014
Prøven havde et mikroskopisk areal på 0,81 m2 på trods af, at selve prøvens makroskopiske areal har været ca. 0,3 x 10-5m2. Med andre ord så har anodiseringen bevirket, at arealet er blevet øget med en faktor 270.000. Prøv lige at tænke lidt over det…