Microwave Zonnepanelen

Moeilijkheidsgraad: Geavanceerd Experimenteel Geschatte kosten: Varieert; zie voorbeeldonderdelen hieronder

Een zonnecel begint met een overgang (junction). In dit project breng ik een fosforhoudend glas aan op één zijde van p-type silicium, verhit dit in een kleine magnetronoven om fosfor in het oppervlak te diffunderen, en voeg contacten toe aan de twee zijden. Licht op de voltooide overgang produceert elektrische energie.

Het resultaat is een zelfgemaakte cel. Door meerdere cellen te verbinden, creëert u een klein paneel. Een energy harvester kan de output verzamelen in een batterij, waarna een aparte boost converter 5 V USB-stroom kan leveren. Dit is een experiment in apparaatbouw: meet de werkelijke energie die u krijgt voordat u een belasting kiest.

Materialen en Gereedschappen

Deze links zijn voorbeelden en geen verplichte boodschappenlijst. Zoek naar alternatieven en betere prijzen, maar let op de materiaalspecificaties, het veiligheidsinformatieblad (SDS) en de hoeveelheden.

Componenten

ItemVoorbeeldbronWaar u op moet letten
p-type siliciumwaferSilicon waferBevestig p-type, (100) oriëntatie en resistiviteit. Mijn basisdotering was ongeveer $10^{16}\text{ cm}^{-3}$. Vermijd een vooraf geoxideerde wafer voor dit basisrecept.
Diamant- of siliciumcarbide scribeScribeEen scherpe punt om een splijting te initiëren.
IsopropylalcoholRubbing alcoholZuivere, additiefvrije IPA; hoge zuiverheid heeft de voorkeur boven antiseptische mengsels.
Gedestilleerd waterWaterVers gedestilleerd water; DI-water is een upgrade.
Watervrij ethanolEthanolControleer watergehalte en denaturanten; water verandert de sol-chemie.
Tetraethylorthosilicaat (TEOS)TEOSGlasprecursor met bekende zuiverheid.
FosforzuurPhosphoric acidHier is 85 gewichtsprocent waterige zuur gebruikt.
Roerplaat met verwarmingHotplateCompatibel laboratoriumglaswerk en roerstaaf; geen gesloten verwarming.
PC-ventilator en voedingFanStem af op de nominale voeding en bedrading; gebruik een beveiligde, gebalanceerde montage.
Polyimide tapeKapton-style tapeAlleen voor tijdelijk maskerings- en montagegebruik; verwijderen voor het bakken.
900 W magnetronMicrowaveSpeciaal gewijd aan dit experiment; intacte deur en interlocks.
Kleine magnetronovenKilnEr is het kleine model gebruikt, niet het grote. Bevestig temperatuur en magnetroncompatibiliteit.
2000-grit nat/droog schuurmiddelSandpaperVoor lokale mechanische contactopeningen.
Roestverwijderaar met HF (optioneel lab-route)WhinkLees de HF-sectie voordat u deze route overweegt.
Kruis, gallium, indiumCrucible, Ga, InBekende metaalzuiverheid; gebruik een compatibel crucible, geen aluminium.
Fixtures en testapparatuurLokaal inkopenGeprinte pocket, geïsoleerde draad, tape, pincetten, balans, pipetten, compatibele labcontainers, platte glazen ondersteuning voor mechanisch polijsten, multimeter en lastweerstanden.

Elektronica

ItemVoorbeeldbronControleer voor aansluiting
BQ25570 energy harvester boardHarvesterInput startup-vereisten, MPPT-ratio, batterijspanningsdrempels en actueel schema van de printplaat.
IP5310 USB boost / power-bank boardUSB outputBatterijspanningsconfiguratie, standby-verbruik, low-load shutdown en connector-rollen.
Enkelvoudige Li-ion / LiPo batterijBatteryBeschrijving betreft een 3,7 V, 3.000 mAh beschermd pakket. Verifieer het pakket, laadlimieten, bescherming en connector-polariteit.

---

Veiligheidswaarschuwingen

Dit project omvat scherp silicium, brandbare oplosmiddelen, corrosieve chemicaliën en een oven van circa 1.000 °C.

  • Gebruik een geschikte laboratoriumwerkruimte met ventilatie, oogbescherming en chemie-specifieke PBM's.
  • Wijd de magnetron en het keukengerei uitsluitend aan materiaalwerk; gebruik ze nooit meer voor voedsel.
  • De route met HF (waterstoffluoride) heeft aanvullende vereisten, zoals beschreven in stap 4.

---

Wat we maken

Fosfor is een donor in silicium. Waar voldoende elektrisch actieve fosfor de p-type wafer binnendringt, wordt het oppervlak n-type; de bulk blijft p-type. De grens tussen deze twee is de p-n overgang (junction). Het glas dient als dotantbron en elektrische isolator, dus er zijn openingen in het glas nodig voor de contacten.

Afbeelding 1: De beoogde uiteindelijke structuur. Laagdiktes zijn overdreven weergegeven. Houd beide metalen weg van de randen zodat ze de overgang niet kunnen overbruggen.

---

Stap 1: Kleine siliciumvierkantjes splijten

Begin met een (100)-georiënteerde p-type wafer. De twee in-plane $\langle 110 \rangle$ richtingen staan loodrecht op elkaar, waardoor uitgelijnde splijtingen rechthoekige stukken kunnen produceren. De kristaloriëntatie is van belang: willekeurige kraslijnen garanderen geen schone breuk. Bevestig de conventie voor de platte zijde/inkeping van de leverancier.

Gebruik een diamant- of siliciumcarbide scribe om een korte inkeping aan een rand te maken, en splijt dan over een geschikte ondersteuning met gecontroleerde druk. Werk in strips, roteer 90° en splijt de strips in vierkantjes. Een vierkant van ongeveer 5–10 mm is een handige startmaat. Oefen eerst op een opofferingsstuk. Draag oogbescherming, vang fragmenten op en verzamel scherpe resten met gereedschap in plaats van met uw vingers.

Spoel deeltjes weg met gedestilleerd water, reinig met zuivere IPA, spoel opnieuw met vers gedestilleerd water en droog zonder het actieve oppervlak aan te raken. Gebruik schone containers waarvan het materiaal compatibel is met de vloeistof. Hanteer de stukken bij de randen met schone pincetten. Dit verwijdert los vuil en oliën, maar niet de natuurlijke siliciumoxide.

---

Stap 2: De fosforhoudende coating maken

Dit is een TEOS-gebaseerde sol die tijdens het drogen en verhitten verandert in fosforhoudend glas. De gebruikte batch was:

IngrediëntVolume
TEOS1,00 mL
Gedestilleerd water0,25 mL
Watervrij ethanol5,00 mL
Fosforzuur, 85 wt% in water0,30 mL

De zuur voegt extra water toe aan het mengsel. Houd de concentratie nauwkeurig bij: het vervangen van verdund fosforzuur terwijl hetzelfde volume wordt aangehouden, verandert zowel de fosforbelading als de hydrolysechemie. De fosforconcentratie in de vloeistof is niet de uiteindelijke actieve donorconcentratie in het silicium.

Gebruik schoon, compatibel laboratoriumglaswerk en een roerstaaf onder een geschikte afzuigkap. Meng de TEOS en ethanol, en voeg dan het water en zuur geleidelijk toe onder roeren. Noteer de mengtijd, temperatuur en rijpingstijd; deze beïnvloeden de viscositeit en coatingdikte.

Waarschuwing: Kook dit mengsel niet in een gesloten container. Ethanol dampen kunnen ontbranden en een verhit gesloten vat kan onder druk komen te staan. Gebruik roeren op kamertemperatuur voor eerste tests; verwarmde sol-voorbereiding vereist een correct geventileerde laboratorium-refluxopstelling. TEOS zelf is brandbaar en vormt een inademingsgevaar.

Maskeren en spinnen van één zijde

Maskeer een smalle rand rond de voorzijde met polyimide tape. Het doel is om de natte coating weg te houden van de zijwanden en de achterzijde; een fosfor-gedoteerd pad langs de rand kan het apparaat kortsluiten.

Bevestig het silicium in het centrum van een PC-ventilator-naaf met dubbelzijdige montage-tape. Gebruik een stabiele, oplosmiddelbestendige behuizing die spatten opvangt. Houd oplosmiddelen weg van de elektronica van de ventilator.

Bevochtig de blootgestelde voorzijde met een kleine hoeveelheid sol. Spin de ventilator 30 seconden lang. Noteer de snelheid indien mogelijk; tijd alleen bepaalt de filmdikte niet. Een professionele spin-coater is een upgrade.

Afbeelding 2: Splijten, maskeren en coaten. De randmaskering en de montagetape zijn aparte stukken. Geen van beide gaat in de oven.

Verwijder het monster en alle tape. Laat het oplosmiddel verdampen onder een geschikte afzuigkap en gebruik een gecontroleerde droogstap voordat u het in de oven plaatst. Plaats nooit een natte, oplosmiddelhoudende chip in de magnetron.

---

Stap 3: Diffunderen in een magnetronoven

Een magnetronoven bevat een absorberende voering (susceptor) die magnetronenergie omzet in hitte. De hete behuizing verhit het monster. Dit is niet hetzelfde als een naakte wafer op een magnetronplateau plaatsen.

Mijn setup

  • Magnetron: 900 W nominaal vermogen.
  • Oven: Kleine magnetronoven.
  • Programma: Vermogensniveau 4 gedurende 30 minuten.
  • Oventemperatuur: Ongeveer 1.000 °C in deze setup.
  • Atmosfeer: Omgevingslucht; vochtigheid niet gecontroleerd.

Plaats het droge, tape-vrije stuk met de coatingzijde naar boven op een schone, hittebestendige ondersteuning. Vermijd contaminatie van de wafer met de ovenvoering. Laat het volledig afkoelen voordat u de wafer hanteert of contacten toevoegt.

Let op: Vermogensniveau 4 is geen temperatuurinstelling. Veel magnetrons werken met een duty cycle van hun volledige output. Gebruik alleen magnetron-compatibele temperatuurmetingen; improviseer geen metalen thermokoppel-doorvoeren.

Afbeelding 3: Hitte komt binnen via de susceptor van de oven. Alleen het gedroogde gecoate silicium en een compatibele ondersteuning bevinden zich tijdens de diffusie in de oven.

Hoe diep is de overgang (junction)?

Een eerste schatting is enkele tiende van een micrometer. Voor een hypothetische hold van 30 minuten bij 1.000 °C, geeft het onderstaande eenvoudige model ongeveer $0,38\text{ }\mu\text{m}$ bij een basisdotering van $10^{16}\text{ cm}^{-3}$.

Neem aan: eendimensionale diffusie, een constante elektrisch actieve oppervlakteconcentratie $Cs = 10^{20}\text{ cm}^{-3}$, en concentratie-onafhankelijke diffusiviteit. De standaard constante-bron oplossing is: $C(x, t) = Cs \text{ erfc}[x / (2\sqrt{Dt})]$ $xj = 2\sqrt{Dt} \cdot \text{erfc}^{-1}(Na / C_s)$

Hier is $Na$ de acceptorkoncentratie; de metallurgische overgang is waar het donorprofiel gelijk is aan $Na$.

Tabel: Modelgevoeligheid (niet gemeten data) Bij $C_s = 10^{20}\text{ cm}^{-3}$

Temperatuur$N_a = 10^{15}\text{ cm}^{-3}$$N_a = 10^{16}\text{ cm}^{-3}$$N_a = 10^{17}\text{ cm}^{-3}$
900 °C$0,10\text{ }\mu\text{m}$$0,09\text{ }\mu\text{m}$$0,08\text{ }\mu\text{m}$
950 °C$0,22\text{ }\mu\text{m}$$0,19\text{ }\mu\text{m}$$0,16\text{ }\mu\text{m}$
1.000 °C$0,43\text{ }\mu\text{m}$$0,38\text{ }\mu\text{m}$$0,32\text{ }\mu\text{m}$
1.050 °C$0,81\text{ }\mu\text{m}$$0,71\text{ }\mu\text{m}$$0,60\text{ }\mu\text{m}$

Afbeelding 4: Modelgevoeligheid, geen gemeten data of onzekerheidsinterval.

Hoe zit het met de luchtvochtigheid?

Waterdamp beïnvloedt de oxidatie, de dotantbron en de diffusiecondities. Omdat de luchtvochtigheid van de kamer de waterdampdruk in een hete oven niet specifiek bepaalt, is er geen enkele "vochtigheidscorrectie" die hier kan worden toegepast.

---

Stap 4: De oxide openen bij de contacten

Het fosforglas en eventueel gegroeide oxide isoleren het oppervlak. U heeft aan elke zijde één schone contactopening nodig. Let op: op de voorzijde moet de ondiepe n-type laag behouden blijven; doorsnijden hiervan kan het metaal op de p-type basis plaatsen of de overgang kortsluiten.

Mechanische route: lokaal nat polijsten

Gebruik 2000-grit schuurpapier, een kleine hoeveelheid water en een platte glazen ondergrond. Werk alleen op een klein, beoogd contactoppervlak met lichte, gelijkmatige druk. Spoel het residu weg en droog voordat u contact maakt; houd het residu nat tijdens het schoonmaken om stof in de lucht te voorkomen. Doe hetzelfde voor de achterzijde.

Chemische route: HF (alleen voor uitgeruste labs)

Er is ook geprobeerd met Whink Rust Stain Remover gedurende ongeveer 30 minuten, gevolgd door een spoeling met gedestilleerd water. De SDS voor SKU 1232 vermeldt 1,0–2,5 wt% waterstoffluoride (HF).

EXTREEM BELANGRIJK: HF-VEILIGHEID HF kan diepe brandwonden en systemische vergiftiging veroorzaken; pijn kan vertraagd optreden. Een verdund consumentenproduct is nog steeds gevaarlijk. Gebruik deze route alleen met:

  • HF-training en een goedgekeurde procedure.
  • Een geschikte zuurkast, compatibele PBM's en containers.
  • Een partner (buddy) en een HF-noodplan inclusief calciumgluconaat.
  • Gebruik geen glas of geïmproviseerde drinkbekers.
  • Verzamel etchant en rinsels als chemisch afval; spoel ze niet door de gootsteen.
  • Bij blootstelling: direct spoelen met stromend water, besmette kleding verwijderen en onmiddellijk medische hulp zoeken. Meld bij hulpverleners dat het om HF gaat.

Maak de contacten kort na het openen van de oppervlakken; schoon silicium heroxideert in de lucht.

---

Stap 5: Zachte metalen contacten toevoegen

Achterzijde p-type contact: gallium-indium eutecticum

Gebruik 75,5% gallium en 24,5% indium naar massa. EGaIn smelt rond 15,7 °C en is dus normaal gesproken vloeibaar bij kamertemperatuur.

Meng de metalen in een crucible en verwarm ze tot ongeveer 150 °C onder roeren. Mix tot er geen indiumstukjes meer over zijn en laat het legering afkoelen. Houd gallium uit de buurt van aluminium.

Een 3D-geprinte pocket houdt een kleine hoeveelheid EGaIn tegen het blootgestelde achterste p-type contactoppervlak. Plaats een elektrische draad in de legering en zorg voor trekontlasting buiten de pocket.

Voorzijde n-type contact: indium

Druk een klein stukje indium op de geopende voorzijde van de n-type regio. Indium is zacht, vergelijkbaar met gebruikte kauwgom. Gebruik een schoon, stomp instrument voor gecontroleerde druk.

Druk een draad in het indium en zet deze vast met tape voor trekontlasting. Let op: de draad moet fysiek het metaal raken; de tape zelf is geen elektrische verbinding. Houd dit contact klein zodat het de cel niet teveel beschaduwt.

Dit zijn experimentele drukcontacten. Oppervlakteoxide, emitterdotering en druk kunnen ze resistief of gelijkrichtend maken. Bij energieopwekking is het achterste p-contact positief en het voorste n-contact negatief.

---

Stap 6: De cel meten vóór de elektronica

Koppel de batterij en alle converter-boards los om te voorkomen dat deze worden aangezien voor solar-output. Houd belichting, hoek en temperatuur consistent.

  1. Open-circuit voltage ($V_{OC}$): Zet de meter in DC-spanningsmodus, rode draad op p-contact (achter), zwarte draad op n-contact (voor). Vergelijk licht en donker.
  2. Loaded power: Plaats een bekende weerstand over de cel en meet de spanning. Bereken $I = V/R$ en $P = V^2/R$. Probeer verschillende weerstanden (bijv. $100\text{ k}\Omega, 10\text{ k}\Omega, 1\text{ k}\Omega, 100\text{ }\Omega$) om het beste vermogenspunt te vinden.
  3. Short-circuit current ($I_{SC}$): Indien nodig, gebruik de beveiligde stroomingang van de meter voor een korte meting. Plaats nooit een meter in stroommodus over de batterij.

Afbeelding 5: Een weerstand en een voltmeter zijn voldoende om het bruikbare uitgangsvermogen te vinden.

Noteer de afmetingen van de cel, het gecoate oppervlak, het contactoppervlak, belichting, temperatuur, $V_{OC}$ en de beste gemeten belaste spanning/stroom.

---

Stap 7: Energie oogsten en USB-stroom produceren

De configuratie is: Zonnecel → harvester → beschermde batterij → 5 V boost converter → USB-belasting.

Opstarten (Startup)

De BQ25570 heeft typisch een cold-start input van 600 mV nodig (max 700 mV). Zodra hij is opgestart, kan hij oogsten vanaf 100 mV. Een enkele zwakke cel kan mogelijk niet opstarten, zelfs als de meter spanning aangeeft.

Indien nodig kunt u twee of meer geteste cellen in serie schakelen (p-positief van de ene naar n-negatief van de volgende). Spanningen tellen bij elkaar op; de stroom wordt beperkt door de zwakste cel.

Boards aansluiten en configureren

  1. Verbind de p-positieve pool van de cel met de harvester solar input ($VIN\_DC$) en de n-negatieve pool met de input ground.
  2. Configureer de opslag-overspannings- en MPPT-instellingen voor de gemeten bron en batterij. Voor een conventioneel 4,20 V Li-ion pakket moet de laadcutoff binnen de specificaties van het pakket blijven.
  3. Verbind de batterie-aansluiting van de harvester ($VBAT$) met de beschermde batterijterminals via een geschikte zekering.
  4. Voed de $B+$ en $B-$ batterijterminals van het USB-board vanuit de beschermde batterij, met een schakelaar in de positieve voeding. Voed dit niet vanuit de gereguleerde $V_{OUT}$ van de BQ25570.

Activeer de USB-uitgang pas nadat er voldoende energie is opgeslagen. De IP5310 is een power-bank controller; gebruik deze hier enkel als batterij-naar-USB outputtraps.

Verwachtingen over het USB-vermogen

Een 5 V output is geen garantie voor het opladen van een telefoon. Voor een illustratief, ongemeten celvermogen van 1 mW en 70% gecombineerde efficiëntie (zonder standby-verliezen): $\text{Gemiddelde USB-stroom} \approx (0,001\text{ W} \times 0,70) / 5\text{ V} = 0,14\text{ mA}$

Een uur bij dit tempo verzamelt ongeveer 0,7 mWh, wat ideaal gezien genoeg is voor circa 5 seconden bij 5 V, 100 mA. Realistische standby- en opslagverliezen verminderen dit. Meet het standby-verbruik van de converter; dit kan alle energie die een kleine cel produceert, verbruiken.

---

Probleemoplossing

SymptoomControleer vervolgens
Weinig of geen lichtafhankelijke spanningBevestig wafertype, contactpolariteit, oxide-openingen en of diffusie daadwerkelijk een emitter heeft gecreëerd.
Spanning lijkt goed, maar stort in bij belastingProbeer een lichtere belasting; inspecteer contactweerstand, emittercontinuïteit en belichte oppervlakte.
Bijna kortsluiting in beide richtingenZoek naar metaal- of dotant-overloop (wraparound), een gebroken wafer, of polijsten door de front-emitter heen.
Meting verandert als een draad beweegtVerbeter het metaal-naar-draad contact en mechanische ondersteuning; tape alleen geleidt niet.
Cel werkt, harvester start nietMeet input tijdens startup, probeer serieschakeling van cellen, en controleer board-drempels.
USB werkt kortstondig en stopt danControleer opgeslagen energie, batterijbescherming, boost standby-stroom en automatische low-load shutdown.