سیلیکون عنصر عصر الکترونیکی است. از میکروچیپ های ریز تا صفحه نمایش های تلویزیون ال سی دی ماموت ، فلز نیمه هادی در دستگاه هایی که زندگی مدرن را تعریف می کنند ، نقش اصلی را ایفا می کند.

اما استفاده از سیلیکون فراتر از رایانه و لوازم الکترونیکی مصرفی است. در انواع کاربردهای صنعتی و فناوری از جمله فناوری خورشیدی بسیار مفید است. سیلیکون سیاه ، نوعی که 99 درصد نور را جذب می کند ، باعث می شود پنل های خورشیدی قدرتمندی تولید کنند.

اکنون محققان دانشگاه ویسکانسین مادیسون به سرپرستی استاد مهندسی مواد و مهندسی مواد Xudong Wang و دانشجوی فارغ التحصیل Yanhao Yu و همکاران آنها در دانشگاه علم و فناوری پکن ، استادان یو ژانگ و ژنگ ژانگ در حال گزارش یک پیشرفت فناوری نانو هستند که می تواند به ایجاد صحنه برای یک انقلاب سیلیکونی سیاه در تولید سوخت تمیز کمک کنید.

این وعده - و چالش - در ساختار نانو ساختار سیلیکون سیاه نهفته است. سیلیکون معمولی دارای نانوساختار نسبتاً روان است. در همین حال ، نانوساختار سیلیکون سیاه بسیار زبر است. این بافت درشت باعث می شود که نور ورودی به جای سیلیکون بازگردد و دوباره به داخل سیلیکون نگردد ، زیرا آن را با سیلیکون معمولی بازتاب می دهد.

کیفیت جذب نور باعث می شود سیلیکون سیاه به یک ماده جذاب برای صفحه های خورشیدی تبدیل شود ، که برای به حداکثر رساندن کارآیی آنها باید تا حد امکان انرژی خورشیدی را به شکل نور جذب کند. این فناوری به خوبی توسعه یافته است ، و روش های دیگری نیز وجود دارد که می تواند از خواص جذب نور سیلیکون سیاه استفاده کند.

این در حالی است که محققان می توانند چگونگی غلبه بر یک مانع اساسی ناشی از ساختار نادرست سیلیکون سیاه را درک کنند.

تحقیقات وانگ بر این مانع متمرکز شده است. وی امیدوار است از سیلیکون سیاه به عنوان مولد خورشیدی انرژی شیمیایی مانند سوخت هیدروژن استفاده کند . ایده این است که سیلیکون قدرت سیاه از جذب خورشیدی کارآمد خود می تواند برای تقسیم مولکول های آب و ایجاد سوخت هیدروژن از طریق یک فرایند عکس-الکترو شیمیایی استفاده شود. این یک جایگزین کارآمد ، تجدید پذیر و تمیز برای روشهای فعلی تولید سوخت هیدروژن است.

یک صید وجود دارد: سطح سیلیکون سیاه ، اگرچه از نظر جذب نور از آن سودمند است ، بسیار ناپایدار و واکنش پذیر است - دقیقاً به دلیل بافت خشن آن.

این سطح واکنشی بخصوص در زمینه تولید سوخت هیدروژن مشکل ساز است زیرا بهترین مایع برای تولید سوخت هیدروژن با تقسیم اتم های هیدروژن و اکسیژن در واقع آب خالص نیست. در عوض ، محلول های الکترولیت مانند هیدروکسید سدیم ، که از آب رسانا تر هستند ، در فرآیند عکس الکترو-شیمیایی که انرژی خورشیدی را به سوخت هیدروژن تبدیل می کند ، بسیار کارآمدتر هستند.

اما هیدروکسید سدیم بسیار خورنده است. هنگامی که سیلیکون سیاه با محلول در تماس باشد - همانطور که باید فرآیند عکس-الکترو شیمیایی ایجاد سوخت هیدروژن را آغاز کند - سطح واکنشی آن به سرعت دچار فرسایش می شود و بی فایده می شود.

برای حل این مشکل ، تیم وانگ در صدد قرار دادن پوشش محافظ به سطح خشن و واکنش پذیر سیلیکون سیاه بود. این پوشش به اندازه کافی ضخیم است تا از تماس الکترولیت با سیلیکون سیاه جلوگیری کند اما به اندازه کافی نازک است تا سیلیکون بتواند نور خورشید را جذب کند. برای دستیابی به این هدف ، وانگ از تکنیکی به نام رسوب لایه اتمی استفاده کرد ، که یک سطح را در معرض پیش سازهای گازی قرار می دهد تا یک فیلم نازک بدون سوراخ و بسیار یکنواخت ایجاد کند. در این حالت ، وانگ یک لایه 10 نانومتری ضخامت دی اکسید تیتانیوم را روی سطح سیلیکون سیاه قرار داده است. نتایج بسیار امیدوارکننده بود.

دی اکسید تیتانیوم نه تنها یک پوشش محافظ را ایجاد می کند که مانع از واکنش الکترولیت خورنده با سیلیکون می شود ، بلکه آنقدر نازک است که در جذب نور تأثیر نمی گذارد. به گفته وانگ همچنین با کاهش نقص سطح سیلیکون سیاه ، کارایی کل فرایند تبدیل انرژی را افزایش می دهد .

وانگ می گوید: "این پیشرفت واقعاً امکان پذیر بودن این فناوری را نشان می دهد." "این یک مطالعه اساسی در یک زمینه تحقیقاتی بسیار فعال بود که فکر می کنم می تواند منجر به فرصت های مهم پژوهشی شود."

قدم بعدی برای تیم وانگ این است که چگونه حداکثر طول عمر پوشش محافظ نازک را بدست آورید. در حال حاضر ، این پوشش به اندازه کافی دوام نمی آورد تا این فناوری از نظر تجاری قابل دوام باشد. اما وانگ می گوید که تیم وی از اولین موفقیت آنها در اثبات امکان پذیر بودنش ، عمر خود را به طور قابل توجهی بهبود داده است. اگر آنها بتوانند به اندازه کافی طول عمر خود را تمدید کنند ، ممکن است به زودی یک منبع مقرون به صرفه از سوخت هیدروژن تولید شده توسط خورشیدی وجود داشته باشد ، که نشان دهنده یک منبع سوخت فوق العاده تمیز و تجدید پذیر است .