Титанові наностержні: майбутнє сонячних панелей

Як світлореактивні властивості титану покращують сонячну продуктивність

Реакція деяких конкретних металів або елементів на світло вже є дуже важливою частиною сучасного світу. Це, очевидно, стосується кремнію в сонячних панелях, але це також стосується багатьох датчиків, електронних пристроїв та багатьох інших світлочутливих пристроїв.

Одним із таких металів є титан. Хоча репутація титану значною мірою походить від того, що він є своєрідною «суперсталлю», міцною, але набагато легшою та стійкою до корозії, насправді це не його основне застосування.

Двоокис титану (TiO₂) споживає 95% необробленої титанової руди, що видобувається, і використовується як сильний білий перманентний пігмент у фарбах, папері, зубній пасті та пластмасах. Цей пігмент стійкий до сонячного світла та хімічно інертний. Пізніше його можна змішувати з хімікатами для створення яскравих кольорів та фарб.

Ті ж оптичні властивості є причиною, чому його також використовують у сонцезахисних кремах, завдяки його здатності відбивати та поглинати ультрафіолетові промені.

джерело: Хемури

Ще одним прикладом чудових оптичних властивостей титану є перовскіти, природний тип кристалів, що складаються з кальцію та оксиду титану (CaTiO3). Перовскітні сонячні елементи, які також часто називають тонкоплівковими сонячними елементами, можна встановлювати в поєднанні з кремнієм або як окремий сонячний елемент.

джерело: Департамент енергетики

Ось чому вчені шукають способи, щоб титан ще більше реагував із сонячним світлом та іншими джерелами світла.

Дослідники з Китайського університету науки і технологій та Китайської академії наук відкрили новий спосіб вирощування масивів наностержнів з діоксиду титану (TiO₂-NA) та продемонстрували їх застосування у високопродуктивних сонячних елементах.

Вони опублікували свої результати в науковому журналі Small Methods¹, під назвою «Розкриття принципів росту та фотоелектричної енергії в масивах наностержнів TiO2 з керованою щільністю для ефективних сонячних елементів".

Металеві нанострижні

Коли йдеться про хімічні або оптичні реакції, важлива фактична поверхня металевої поверхні. Якщо вона гладка, то її розмір приблизно відповідає розміру матеріалу, який сприймається вашими очима.

Але якщо він має складніші мікроструктури, він може мати в десятки або сотні разів більшу поверхню контакту, що підвищує ефективність та швидкість бажаної реакції.

Наприклад, ось як Дослідники використовують нікелеві наностержні для каталізації виробництва водню без дорогоцінних металів, таких як платина..

Той самий метод можна використовувати для створення титанових наностержнів, діаметр яких становить лише кілька нанометрів.

джерело: ResearchGate

Відомо, що монокристалічні наностержні TiO₂ чудово збирають світло та проводять заряд, що робить їх ідеальними для сонячних елементів, фотокаталізаторів та сенсорів.

Однак традиційні методи виготовлення мають труднощі з одночасним контролем усіх параметрів, таких як щільність стрижня, діаметр і довжина. Принаймні, досі.

Як досягається контрольований ріст наностержнів

Дослідники вдосконалили стадію, на якій плівка піддається гідротермальній обробці, де наночастинки перетворюються in situ на рутильний (форма діоксиду титану).

джерело: ResearchGate

Вони служать зародком для подальшого росту наностержнів. Цей метод забезпечує ефективний спосіб контролю щільності стержнів без зміни розмірів наностержнів.

джерело: ResearchGate

Таким чином, дослідникам вперше вдалося отримати постійний діаметр і висоту стрижня, навіть за умови зміни кількості стрижнів на ділянку.

джерело: ResearchGate

Титанові наностержні в ефективності сонячних елементів наступного покоління

Ці наностержні були вбудовані в сонячні елементи CuInS₂ (сульфід міді-індію), оброблені за низької температури. Цей тип сонячних панелей, що все ще перебуває в розробці, може бути можливою нетоксичною альтернативою напівпровідникам на основі кадмію.

джерело: ResearchGate

Титанові наностержні покращили захоплення світла, розділення зарядів та збирання носіїв заряду сонячними елементами.

Сонячний елемент досяг ефективності перетворення енергії 10.44%, що є новим рекордом для цього типу сонячних елементів.

Це не означає, що сонячні елементи CuInS₂ вже готові для комерційного застосування, як більш поширені кремнієві елементи або навіть тонкоплівкові елементи на основі перовскіту та кадмію-телуриду, всі з ефективністю понад 20%.

Однак, конструкція є перспективною, оскільки її можна виробляти масово (синтезувати та обробляти за допомогою методів на основі розчинів), і теоретично вона може бути такою ж ефективною, як кремнієві елементи.

Цей тип матеріалу також можна інтегрувати в інші конструкції сонячних елементів, як основний світлопоглинальний шар у складнішій конструкції, що включає інші елементи.

Порівняння технологій сонячних елементів

Щоб краще зрозуміти, яке місце займають сонячні елементи з наностержнями CuInS₂ + TiO₂, ось їхнє порівняння з іншими відомими типами:

Інвестиції в сонячну енергетику

FirstSolar, Inc.

First Solar є найбільшим виробником сонячних панелей у США та у всій Західній півкулі з виробничими підприємствами в США, Малайзії та В’єтнамі.

Компанія не використовує класичну технологію кристалічного кремнію, а замість цього використовує його запатентовані тонкоплівкові фотоелектричні пристроїВиготовлені на основі телуриду кадмію, вони є більш ефективними, виробляються з нижчою вартістю та можуть бути легко виготовлені масово. Тонкоплівкові сонячні панелі також довговічніші, зберігаючи 89% своєї початкової продуктивності після 30 років.

джерело: Перша сонячна

Кадмій і телурид є побічними продуктами видобутку інших металів, а це означає, що продукти First Solar мають мінімальний вплив, використовуючи ресурси, які раніше були малокорисними. Тонкоплівкові панелі також можуть мати високий рівень переробки.

Технологічна перевага First Solar у поєднанні з її географічним розташуванням робить її ймовірною бенефіціаром зростаючого прагнення західних країн закуповувати свої панелі за межами Китаю.

Компанія швидко нарощує свої виробничі потужності, прагнучи досягти запланованої потужності в 25 ГВт до 2026 року з поточних 11 ГВт.

Хоча сьогодні компанія First Solar зосереджена на виробництві більш зрілих сонячних панелей з телуриду кадмію, вона також вивчає інші технології тонких плівок, оскільки вони готуються до промислового виробництва.

У своїй презентації для інвесторів було зазначено, що перовскіт повинен мати «лінія розробки готова до виробництва зразків технологій перовскіту, імітуючи умови, подібні до виробничих".

З моменту свого заснування компанія First Solar витратила на дослідження та розробки сукупно 2 мільярди доларів.

Загалом, First Solar є технологічним лідером, який може виграти від тарифів на китайський імпорт, що, ймовірно, компенсує негативний вплив переобрання Трампа на сонячну енергетику.

Хоча досі компанія зосереджена переважно на тонкоплівковій сонячній енергії з використанням телуриду кадмію, її досвід у виробництві сонячних панелей без кремнію може дати їй значну перевагу у виробництві перовскітних або інших сонячних панелей на основі титану, особливо враховуючи її тісні зв'язки з деякими з провідних дослідників у цій галузі.

Останні новини та події щодо акцій First Solar (FSLR)

Посилання на дослідження

^{1. Веньбо Цао, Чао Донг, Чаофан Чжен, Цзяцзінь Куанг, Ян Ван, Фейсал Навід, Менґкі Цзінь, Ін'їн Донг, Чонг Чен, Мінтай Ван. Розкриття принципів росту та фотоелектричної енергії в масивах наностержнів TiO2 з керованою щільністю для ефективних сонячних елементів. Малі методи. 22 квітня 2025 року. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}