Håp i sort silisium

Man tager en skive vanlig grå, polykrystallinsk silisium beregnet for solcellebruk, utsetter den for laserpulser med ekstrem effekt og ekstrem kort varighet i et miljø inneholdende SF6-gass, og vips – så har man endret overflatestruktur og farge på materialet. Gråfargen er blitt sort som natten. Men viktigere er at absorpsjonsegenskapene for synlig lys er dramatisk bedret; fra ca. 60 prosent for vanlig silisium til nesten 100 prosent.

Dette er gode nyheter for alle som jobber med silisium til solcelleformål. Å øke virkningsgraden er et felles overordnet mål for hele solcelleindustrien. Også for det norske selskapet ScanWafer, som skal åpne et nytt stort produksjonsanlegg i Glomfjord i juli.

Langt frem

De dårlige nyhetene er at vi snakker om laboratorieforsøk, og at det ennå er langt frem før vi kan håpe en kommersiell utnyttelse.

Det hele startet som et eksperiment på et laboratorium for et par år siden – som så mange viktige oppdagelser tidligere, nærmest ved en tilfeldighet. Eric Mazurs laboratorium ved Harvard University anskaffet allerede i 1990 en såkalt femtosekund laser som fremskaffer lyspulser som er hundreder av milliarder ganger kraftigere enn sollys.

Denne type laserpulser har vist seg å være nyttig ved karakterisering av en rekke ulike materialer. Men ingen hadde ennå prøvd seg med silisium. Mazurs forskergruppe undret seg på som hva som ville skje om man bombarderte silisiumskiver med slike laserpulser gjennom SF6-gass. – Denne gassen ble valgt uten noen klarere forestilling enn at hydrogenfluorid blir brukt ved konvensjonell silisiumetsing, sier Mazur i et intervju med New Scientist.

Åpenbaring

Laserpulsene førte forholdsvis raskt til den nevnte fargeovergang fra grått til sort. Men hva hadde egentlig skjedd? Først undersøkte forskerne den bearbeidede overflaten under et kraftig optisk mikroskop – uten resultat. Deretter ble et scanning elektronmikroskop tatt i bruk, og plutselig kunne man se en skog av nåleformede topper med en liten mikrometerstor kule på toppen i et strikt regulært mønster.

Disse nålene har samme krystallstruktur som den opprinnelige silisiumskiven. De er med andre ord resultatet av en intrikat etsing. Videre forsøk viser at det også dannes nåler om man benytter klordioksid i stedet for SF6, men for eksempel ikke med nitrogen eller helium. Av dette slutter forskerne at nålene dannes ved en kjemisk prosess.

Forskerne har også funnet at nålenes høyde og avstand kan bestemmes ved å endre laserenergien, pulsvarigheten og gasstrykket. Men det er fremdeles mange ubesvarte spørsmål rundt fenomenet sort silisium.

Også mikrobølger

Selv om ikke alle fenomener rundt dannelsen av sort silisium er fullt forstått, ser vi konturene av svært interessante anvendelser. Det området på en silisiumbrikke man velger å bombardere med laserlys blir sort, og dermed ekstra lysfølsomt. På denne måten kan man lage elektroniske kretser med bedre "øyne".

Det ser dessuten ut til at de bedrede absorpsjonsegenskapene også strekker seg ut i det infrarøde området, og endog over i mikrobølgeområdet. Kommunikasjon ved disse frekvensene gir enorm dataoverføringskapasitet. Mikrobølger vil i utstrakt grad benyttes i høyhastighets forbindelser. Dermed vil sort silisium kunne tenkes å få en sentral rolle i fremtidens internett, mobiltelefoner og video-på-forespørsel anvendelser.

Medisinske anvendelser

Sort silisium kan også få betydning i medisinen. Man tenker seg eksempelvis at de små nålene kan brukes til å trenge gjennom huden og sørge for kontinuerlig mikrodosering av for eksempel nitroglycerin. Dette er bedre for kroppen enn en større injeksjon. Sprøyten blir på denne måten dessuten smertefri, siden nålene bare berører de ytterste hudlaget hvor det ikke finnes noen nervetråder.

På dette feltet har Mazurs gruppe allerede samarbeid med Massachusetts General Hospital i Boston, og dessuten med et tysk selskap.