Las obleas de silicio cristalino utilizadas para fabricar las células solares de hoy día son tratadas para crear una superficie texturizada, después se recubren con una capa antirreflectante, normalmente usando nitruro de silicio, y utilizando procesos de alto vacío. Esta capa adicional incrementa el valor de la célula solar puesto que mejora su eficiencia—cuantas más veces rebote un fotón dentro de la capa activa de una célula solar, más probabilidades hay de que contribuya al flujo de electricidad que sale fuera de la célula. Sin embargo la capa extra también puede añadir costes. “Creemos que puede ser más barata,” afirma Howard Branz, científico de materiales y dispositivos de silicio en el NREL. Incluso con una capa de recubrimiento, las células solares con silicio de la mejor calidad normalmente reflejan un 3 por ciento de la luz que las alcanza. El laboratorio de Branz está desarrollando formas poco costosas de crear silicio negro, que prácticamente no refleja la luz.
Las células prototipo creadas en NREL tienen la mejor eficiencia jamás reportada en células de silicio negro. Las células de silicio monocristalino con la superficie negra, y sin ningún recubrimiento antirreflectante adicional, convierten el 16,8 por ciento de la luz que las alcanza en electricidad, alrededor de la misma eficiencia que ofrecen las células de silicio cristalino típicas recubiertas con material antirreflectante. El récord anterior para las células de silicio negro estaba en un 13,9 por ciento.
Para reemplazar los procesos de deposición en vacío utilizados para tratar la superficie de las obleas de silicio, el laboratorio de Branz desarrolló un proceso químico que puede ser llevado a cabo a temperatura y presión ambiente utilizando un tipo de equipamiento que ya se encuentra en las fábricas de paneles solares. La oblea se sumerge en un baño con una solución acuosa de peróxido de hidrógeno, ácido fluorhídrico, y ácido cloroáurico, que está hecho de hidrógeno, cloro y oro. La pequeña cantidad de oro en el baño ácido actúa como catalizador de las reacciones químicas. No están claras exactamente cuáles son las reacciones químicas, aunque conducen a la formación de nanopartículas de oro que taladran nanoagujeros a varias profundidades en la oblea. Branz afirma que el oro puede ser reutilizado una y otra vez.
Este proceso de grabado lleva tres minutos a temperatura ambiente, y menos de un minuto a 40 ºC. El resultado es una oblea de silicio negra y altamente absorbente cuya superficie está plagada de diminutos túneles de varias profundidades. Los poros crean una superficie sin bordes afilados que reflejen la luz, y la variación de la profundidad es algo muy importante, puesto que la longitud de los túneles determina con qué longitud de onda de luz interactuará. La variación en la profundidad de los túneles permite que la superficie atrape un amplio espectro de luz.
Varios grupos están desarrollando silicio negro para células solares y otros dispositivos ópticos. Hay quienes han utilizado un proceso multi-paso para crear las reacciones encargadas de formar los túneles, empezando por la colocación de partículas de metal sobre la superficie de una oblea y después añadiendo los ácidos. “Estamos haciéndolo en un único paso líquido que no requiere la utilización de vacío,” afirma Branz. SiOnyx, una startup con sede en Beverley, Massachusetts, utiliza pulsos de láser para generar diminutos conos sobre la superficie del silicio. Su fórmula para el silicio negro crea un material distinto al del NREL, aunque con propiedades similares. El cofundador de la compañía y científico James Carey afirma que la compañía espera entrar en el mercado en un año. Carey no hizo pública la eficiencia fotovoltáica que SiOnyx ha alcanzado utilizando este proceso.
Los baños que se utilizan en las fábricas actuales para limpiar las células solares entre cada paso de grabado podrían usarse para crear la capa de silicio negro, afirma Branz, lo que significa que este proceso podría ser adoptado por los fabricantes a un coste muy bajo. La agencia ha solicitado las patentes del proceso.