Een zonnecel maken zonder peperdure machines of een gespecialiseerde fabriek? Halfgeleideringenieur en YouTuber Dr. Semiconductor laat zien dat het mogelijk is. Met een siliciumplaatje en een kleine magnetronoven bouwde hij een werkende zonnecel. Het experiment laat zien hoe verrassend toegankelijk halfgeleidertechnologie kan zijn.
Normaal gesproken vereist de productie van siliciumzonnecellen industriële ovens, nauwkeurige temperatuurregeling en gespecialiseerde apparatuur. Dr. Semiconductor, het online pseudoniem van ingenieur Matthew Hartensveld, koos voor een opmerkelijk alternatief: een kleine oven die in een magnetron kan worden geplaatst.
De basis van zijn experiment is een siliciumwafer van het p-type. Door aan het oppervlak fosfor toe te voegen, ontstaat een dunne laag silicium van het n-type. Op de grens tussen beide lagen vormt zich een zogeheten p-n-overgang.
Die overgang vormt het hart van vrijwel iedere conventionele siliciumzonnecel. Wanneer zonlicht elektronen vrijmaakt, helpt het elektrische veld in de overgang om positieve en negatieve ladingsdragers van elkaar te scheiden. Zo kan elektrische stroom worden opgewekt.
Magnetron blijkt voldoende
Om het fosfor in het silicium te laten doordringen, brengt Hartensveld eerst een fosforhoudende coating aan. Vervolgens plaatst hij de wafer in een speciale magnetronoven.
Die bevat materiaal dat microgolfenergie omzet in warmte. Volgens zijn projectbeschrijving bereikt de opstelling ongeveer 1.000 graden Celsius, voldoende om fosfor in het silicium te laten diffunderen.
Dat is een cruciale stap: zonder de juiste verdeling van fosfor ontstaat geen goed functionerende p-n-overgang. De temperatuur luistert nauw, want silicium smelt bij ongeveer 1.414 graden Celsius.
Naar verluidt 5 procent rendement
Na het verhitten verwijdert de ingenieur plaatselijk de isolerende oppervlaktelaag. Vervolgens brengt hij elektrische contacten aan met indium en een gallium-indiumlegering.
Het resultaat is een zonnecel die onder belichting elektriciteit kan produceren. Volgens berichtgeving over het experiment bedraagt het rendement ongeveer 5 procent. Dat ligt aanzienlijk onder de ruim 20 procent die moderne commerciële siliciumzonnepanelen doorgaans halen.
Een belangrijke kanttekening: de gepubliceerde technische handleiding bevat geen volledige meetgegevens waarmee dat rendement onafhankelijk kan worden gecontroleerd.
Technisch zeer interessant
Het relatief lage rendement is verklaarbaar. Industriële zonnecellen gebruiken onder meer antireflectiecoatings, oppervlaktepassivering en geoptimaliseerde metalen contacten om energieverliezen te beperken.
Vooral oppervlaktepassivering is belangrijk. Defecten aan het siliciumoppervlak kunnen elektronen en gaten opnieuw laten recombineren voordat ze bijdragen aan de elektrische stroom. De zelfbouwmethode mist bovendien de procescontrole en reproduceerbaarheid van industriële productielijnen.
Toch zit daar precies de waarde van het experiment. Het toont aan dat het fundamentele fabricageproces achter zonnecellen ook buiten een chipfabriek kan worden uitgevoerd. Een goedkope productiemethode voor zonnepanelen is het daarmee niet. Temperaturen van 1.000 graden en gevaarlijke proceschemicaliën maken dit bovendien ongeschikt als eenvoudig huis-tuin-en-keukenproject. Maar als demonstratie van halfgeleiderfysica is het een interessant bewijs dat geavanceerde technologie niet altijd geavanceerde apparatuur vereist.
Bekijk de video:
