Ny forskning bringer os tættere på DIY spray-on solcelleteknologi

En ny undersøgelse fra St. Mary's College of Maryland bringer os tættere på gør-det-selv spray-on solcelleteknologi-lovende tredje generations solceller ved hjælp af en nanokrystal blækaflejring, der kunne gøre traditionelle dyre siliciumbaserede solpaneler til en ting fra fortiden.

I en undersøgelse fra 2014, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk kemi Kemisk fysik , St. Mary's College of Maryland energiekspert Professor Troy Townsend introducerede den første fuldstændigt løsningsbehandlede uorganiske fotovoltaiske teknologi.

Mens fremskridtene inden for organisk tyndfilm fotovoltaik vokser hurtigt, uorganiske enheder har stadig rekorden for højeste effektivitet, hvilket delvis skyldes deres brede spektralabsorption og fremragende elektroniske egenskaber. I betragtning af den registrerede højere effektivitet og lavere pris pr. Watt sammenlignet med organiske enheder, kombineret med den forbedrede termiske og fotostabilitet af uorganiske materialer i stor skala, Townsend, i sit studie fra 2014, fokuseret på en helt uorganisk baseret struktur til fremstilling af en top til bund fuldt løsningsbaseret solcelle.

En stor ulempe i forhold til økologi, imidlertid, er, at uorganiske materialer er vanskelige at aflejre fra opløsning. For at overvinde dette, Townsend syntetiserede materialer på nanoskalaen. Uorganiske nanokrystaller indkapslet i en organisk ligandskal er opløselige i organiske opløsningsmidler og kan aflejres fra opløsning (dvs. spin-, dip-, spray-coat), hvorimod traditionelle uorganiske materialer kræver et vakuumkammer ved høj temperatur. Solenhederne er fremstillet af nanoskala partikelblæk i de lysabsorberende lag, cadmiumtellurid/cadmiumselenid, og metalliske blæk over og under. Denne måde, hele den elektroniske enhed kan bygges på ikke-ledende glasunderlag ved hjælp af udstyr, du kan finde i dit køkken.

Den enestående udfordring for (3-5 nm) uorganiske nanokrystaller er, at de skal glødes eller opvarmes for at danne større 'bulkskala' korn (100 nm til 1 um) for at producere arbejdsenheder. Townsend gik for nylig sammen med marineforskere for at udforske denne proces.

"Når du sprayer på disse nanokrystaller, du skal opvarme dem for at få dem til at fungere, "forklarede Townsend, "men du kan ikke bare opvarme krystallerne af sig selv, du skal tilføje et sintringsmiddel og det, i de sidste 40 år, har været cadmiumchlorid, et giftigt salt, der bruges i kommercielle tyndfilmsudstyr. Ingen har testet ikke-giftige alternativer til blækudstyr i nanoskala, og vi ønskede at undersøge mekanismen for sintringsprocessen for at kunne implementere sikrere salte. "

I sit seneste studie, offentliggjort i år i Journal of Materials Chemistry A , Townsend, sammen med marineforskere, fandt ud af, at ammoniumchlorid er giftfrit, billigt levedygtigt alternativ til cadmiumchlorid til nanokrystal solceller. Denne opdagelse kom efter at have testet flere forskellige salte. Enheder fremstillet ved hjælp af ammoniumchlorid (som sædvanligvis bruges til brødfremstilling) havde lignende udstyrskarakteristika til dem, der er fremstillet med cadmiumchlorid, og bevæger sig væk fra cadmiumsaltbehandlinger afhjælper bekymringer om den miljømæssige sundhed og sikkerhed ved de nuværende behandlingsmetoder.

Teamet opdagede også, at saltbehandlingens rolle involverer afgørende ligandfjerningsreaktioner. Dette er unikt for uorganiske nanokrystaller og observeres ikke for vakuumaflejringsmetoder i stor skala. "Der er blevet udført meget spændende arbejde med udveksling af nanokrystalligand, men, for første gang, vi belyste saltets dobbelte rolle som et ligandbytningsmiddel og et samtidigt sintringsmiddel. Dette er en vigtig forskel for disse enheder, fordi nanokrystaller typisk syntetiseres med en naturlig organisk ligandskal. Denne skal skal fjernes før opvarmning for at forbedre filmens elektroniske egenskaber, "sagde Townsend om opdagelsen. Fordi nanomaterialer er i spidsen for nye nye ejendomme i forhold til deres bulkmodstykke, undersøgelsen er vigtig for fremtiden for fremstilling af elektroniske enheder.

Forskningen kommer i kølvandet på Obama-administrationens meddelelse i juli om at lægge flere solpaneler på lavindkomstboliger og udvide adgangen til solenergi for lejere, og den seneste løfte om at få 20 procent af USA's samlede elektricitet fra vedvarende kilder inden år 2030.

"Lige nu, solteknologi er noget uopnåelig for den gennemsnitlige person, "sagde Townsend." Drømmen er at gøre samle- og installationsprocessen så billig og enkel, at du kan gå til din lokale boligforbedringsbutik og købe et kit og derefter sprøjte det på dit eget tag. Derfor arbejder vi på spray-on solceller. "

Townsend planlægger yderligere forskning for at øge effektiviteten af ​​de uorganiske nanokrystal solceller (når i øjeblikket fem procent), mens man bygger dem med helt giftfri komponenter.