En ny studie från St. Mary's College of Maryland sätter oss närmare gör-det-själv-spray-on-solcellsteknologin – lovande tredje generationens solceller som använder en nanokristallbläckavlagring som kan göra traditionella dyra kiselbaserade solpaneler till en grej från förr i tiden.
I en studie från 2014, publiceras i tidskriften Fysikalisk kemi Kemisk fysik , St. Mary's College of Maryland energiexpert Professor Troy Townsend introducerade den första helt lösningsbehandlade helt oorganiska solcellstekniken.
Medan framstegen inom organiska tunnfilmssolceller växer snabbt, oorganiska enheter har fortfarande rekordet för högsta effektivitet, vilket delvis beror på deras breda spektrala absorption och utmärkta elektroniska egenskaper. Med tanke på den registrerade högre effektiviteten och lägre kostnaden per watt jämfört med organiska enheter, kombinerat med den förbättrade termiska stabiliteten och fotostabiliteten hos oorganiska material i bulkskala, Townsend, i sin studie från 2014, fokuserat på en helt oorganisk baserad struktur för tillverkning av en topp till botten helt lösningsbaserad solcell.
En stor nackdel jämfört med ekologiskt, dock, är att oorganiska material är svåra att avsätta från lösning. För att övervinna detta, Townsend syntetiserade material på nanoskala. Oorganiska nanokristaller inneslutna i ett organiskt ligandskal är lösliga i organiska lösningsmedel och kan deponeras från lösning (d.v.s. snurra-, dopp-, spray-coat) medan traditionella oorganiska material kräver en högtemperaturvakuumkammare. Solenheterna är tillverkade av partikelbläck i nanoskala av de ljusabsorberande skikten, kadmiumtellurid/kadmiumselenid, och metalliskt bläck ovanför och under. Den här vägen, hela den elektroniska enheten kan byggas på icke-ledande glassubstrat med hjälp av utrustning du kan hitta i ditt kök.
Den enastående utmaningen för de (3-5 nm) oorganiska nanokristallerna är att de måste glödgas eller värmas för att bilda större "bulk-skala" korn (100 nm till 1 μm) för att producera arbetsanordningar. Townsend samarbetade nyligen med marinens forskare för att utforska denna process.
"När du sprayar på dessa nanokristaller, du måste värma dem för att få dem att fungera, " förklarade Townsend, "men du kan inte bara värma kristallerna av sig själva, du måste lägga till ett sintringsmedel och det, under de senaste 40 åren, har varit kadmiumklorid, ett giftigt salt som används i kommersiella tunnfilmsenheter. Ingen har testat giftfria alternativ för bläckenheter i nanoskala, och vi ville utforska mekanismen för sintringsprocessen för att kunna implementera säkrare salter."
I sin senaste studie, publiceras i år i Journal of Materials Chemistry A , Townsend, tillsammans med marinens forskare, fann att ammoniumklorid är en ogiftig, billigt lönsamt alternativ till kadmiumklorid för nanokristallsolceller. Denna upptäckt kom efter att ha testat flera olika salter. Enheter gjorda med ammoniumklorid (som vanligtvis används vid brödtillverkning) hade jämförbara anordningsegenskaper som de som tillverkades med kadmiumklorid, och övergången från kadmiumsaltbehandlingar lindrar farhågor om miljöhälsan och säkerheten för nuvarande bearbetningsmetoder.
Teamet upptäckte också att saltbehandlingens roll involverar avgörande reaktioner för borttagning av ligand. Detta är unikt för oorganiska nanokristaller och observeras inte för bulkskaliga vakuumdepositionsmetoder. "Mycket spännande arbete har gjorts på nanokristallligandutbyte, men, för första gången, vi klargjorde saltets dubbla roll som ett ligandbytesmedel och ett samtidig sintringsmedel. Detta är en viktig skillnad för dessa enheter, eftersom nanokristaller vanligtvis syntetiseras med ett naturligt organiskt ligandskal. Detta skal måste tas bort före uppvärmning för att förbättra filmens elektroniska egenskaper, ", sa Townsend om upptäckten. Eftersom nanomaterial ligger i framkant av nya egenskaper som växer fram jämfört med deras bulkmotsvarighet, studien är viktig för framtiden för tillverkning av elektroniska enheter.
Forskningen kommer i kölvattnet av Obama-administrationens tillkännagivande i juli att sätta fler solpaneler på låginkomstbostäder och utöka tillgången till solenergi för hyresgäster, och nyligen lovat att få 20 procent av USA:s totala el från förnybara källor till år 2030.
"Just nu, solteknik är något ouppnåeligt för den genomsnittliga personen, " sa Townsend. "Drömmen är att göra monterings- och installationsprocessen så billig och enkel att du kan gå till din lokala hemförbättringsbutik och köpa ett kit och sedan spraya det på ditt eget tak. Det är därför vi arbetar med spray-on solceller."
Townsend planerar för ytterligare forskning för att öka effektiviteten hos de helt oorganiska nanokristallsolcellerna (för närvarande når fem procent), samtidigt som man bygger dem med helt giftfria komponenter.
