Titan-nanostenger: Fremtiden for solcellepaneler

Hvordan titans lysreaktive egenskaper forbedrer solens ytelse

Reaksjonen til noen spesifikke metaller eller elementer på lys er allerede en svært viktig del av den moderne verden. Dette gjelder selvsagt for silisium i solcellepaneler, men det gjelder også for mange sensorer, elektroniske enheter og mye annet lysfølsomt utstyr.

Et slikt metall er titan. Selv om mye av titans rykte kommer fra å være en slags «superstål», som sterkt, men mye lettere og korrosjonsbestandig, er dette egentlig ikke hovedbruken.

Titandioksid (TiO₂) bruker 95 % av den rå titanmalmen som utvinnes og brukes som et sterkt hvitt permanent pigment i maling, papir, tannkrem og plast. Dette pigmentet er motstandsdyktig mot sollys og kjemisk inert. Det kan senere blandes med kjemikalier for å lage levende farger og maling.

De samme optiske egenskapene er grunnen til at den også brukes i solkremer, takket være dens evne til å reflektere og absorbere UV-stråler.

kilde: Chemours

Et annet eksempel på titans bemerkelsesverdige optiske egenskaper er perovskitter, en naturlig forekommende krystalltype laget av kalsium og titanoksid (CaTiO3). Perovskitt-solceller, også ofte kalt tynnfilmsolceller, kan installeres i kombinasjon med silisium eller som en frittstående solcelle.

kilde: Institutt for energi

Derfor ser forskere på måter å få titan til å reagere enda mer med sollys og andre lyskilder.

Forskere ved University of Science and Technology of China og Chinese Academy of Sciences har oppdaget en ny måte å dyrke titandioksid-nanostavsett (TiO₂-NA) på, og demonstrert bruken av dem i høypresterende solceller.

De publiserte resultatene sine i det vitenskapelige tidsskriftet Small Methods¹, under tittelen "Avsløring av vekst og fotovoltaiske prinsipper i tetthetskontrollerbare TiO2-nanostavsnitt for effektive solceller".

Metall Nanorods

Når det gjelder kjemiske eller optiske reaksjoner, er den faktiske overflaten av en metallisk overflate viktig. Hvis den er glatt, vil den være omtrent på størrelse med materialet sett med øynene dine.

Men hvis den har mer komplekse mikrostrukturer, kan den ha dusinvis eller hundrevis av ganger større kontaktflate, noe som øker effektiviteten og hastigheten til den ønskede reaksjonen.

For eksempel, slik er det Forskere bruker nikkel-nanostenger for å katalysere hydrogenproduksjon uten edle metaller som platina.

Den samme metoden kan brukes til å lage titan-nanostaver, som knapt måler noen få nanometer i diameter.

kilde: Research

Det er kjent at enkeltkrystallinske TiO₂-nanostenger utmerker seg ved å høste lys og lede ladning, noe som gjør dem ideelle for solceller, fotokatalysatorer og sensorer.

Tradisjonelle fabrikasjonsmetoder sliter imidlertid med å kontrollere alle parameterne samtidig, som stangtetthet, diameter og lengde. I hvert fall frem til nå.

Hvordan kontrollert nanorodvekst oppnås

Forskerne forbedret et trinn der filmen utsettes for hydrotermisk behandling, hvor nanopartiklene omdannes in situ til rutil (en form for titandioksid).

kilde: Research

De fungerer som frø for senere nanostangvekst. Denne metoden gir en effektiv måte å kontrollere stavtettheten uten å endre nanostangdimensjonene.

kilde: Research

På denne måten klarte forskerne for første gang å produsere konstant stangdiameter og -høyde, selv om antallet stenger per område varierte.

kilde: Research

Titan-nanostenger i neste generasjons solcelleeffektivitet

Disse nanostavene ble innlemmet i lavtemperaturbehandlede CuInS₂-solceller (kobber-indium-sulfid). Denne typen solcellepanel, som fortsatt er under utvikling, kan være et mulig, giftfritt alternativ til kadmiumbaserte halvledere.

kilde: Research

Titan-nanostavene forbedret solcellens lysfangst, ladningsseparasjon og bærersamling.

Solcellen nådde en effektomformingseffektivitet på 10.44 %, en ny rekord for denne typen solcelle.

Dette betyr ikke at CuInS₂-solceller ennå er klare for kommersielle anvendelser, som mer vanlige silisiumceller eller til og med perovskitt- og kadmium-tellurid-tynnfilmceller, alle med en effektivitet på over 20 %.

Designet er imidlertid lovende, ettersom det kan masseproduseres (syntetiseres og bearbeides ved hjelp av løsningsbaserte metoder) og teoretisk sett kan være like effektivt som silisiumceller.

Denne typen materiale kan også integreres i andre solcelledesign, som det primære lysabsorberende laget i en mer kompleks design som inneholder andre elementer.

Sammenligning av solcelleteknologier

For å bedre forstå hvor CuInS₂ + TiO₂ nanostangsolceller står, kan du se hvordan de sammenlignes med andre fremtredende typer:

Investering i solenergi

FirstSolar, Inc.

First Solar er den største solcellepanelprodusenten i USA og på hele den vestlige halvkule, med produksjonssteder i USA, Malaysia og Vietnam.

Selskapet bruker ikke den klassiske krystallinske silisiumteknologien og bruker i stedet sin proprietære tynnfilm solcelleanleggBasert på kadmium-tellurid er de mer effektive, produseres til en lavere kostnad og kan enkelt masseproduseres. Tynnfilmssolcellepaneler er også mer holdbare og beholder 89 % av sin opprinnelige ytelse etter 30 år.

kilde: First Solar

Kadmium og tellurid er biprodukter fra gruvedriften for andre metaller, noe som betyr at First Solar-produktene har minimal påvirkning, ved å bruke ressurser som var til liten nytte før. Tynnfilmspaneler kan også ha høy gjenvinningsgrad.

First Solars teknologiske forsprang, kombinert med sin geografiske beliggenhet, gjør dem til den sannsynlige mottakeren av det økende presset fra vestlige land til å kjøpe panelene sine utenfor Kina.

Selskapet øker produksjonskapasiteten raskt, med mål om å nå en navneskiltkapasitet på 25 GW innen 2026, fra dagens 11 GW.

Mens First Solar fokuserer på å produsere de mer modne kadmiumtellurid-solcellepanelene i dag, utforsker de andre tynnfilmteknologier etter hvert som de blir klare for produksjon i kommersiell skala.

I sin investorpresentasjon kommenterte den spesielt at perovskitt burde ha en «utviklingslinje klargjort for produksjon av teknologiprøver av perovskitt, simulerer produksjonslignende tilstand".

First Solar har brukt samlet 2 milliarder dollar på FoU siden oppstarten.

Totalt sett er First Solar en teknologileder som kan dra nytte av tollsatser på kinesisk import, noe som sannsynligvis vil kompensere for den negative effekten på solenergiindustrien fra Trumps gjenvalg.

Selv om de så langt hovedsakelig har fokusert på tynnfilmsolcellepaneler ved bruk av kadmiumtellurid, kan deres ekspertise innen produksjon av solcellepaneler uten silisium gi dem et betydelig forsprang med perovskitt- eller andre titanbaserte solcellepaneler, spesielt med tanke på deres dype bånd til noen av de ledende forskerne på dette feltet.

Siste nyheter og utvikling for First Solar (FSLR)-aksjen

Studiereferert

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Avsløring av vekst og fotovoltaiske prinsipper i tetthetskontrollerbare TiO2-nanostavsnitt for effektive solceller. Små metoder. 22. april 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}