Een nieuwe studie van St. Mary's College of Maryland brengt ons dichter bij doe-het-zelf spray-on-zonneceltechnologie - veelbelovende derde generatie zonnecellen die gebruikmaken van een nanokristalinktafzetting die traditionele dure op silicium gebaseerde zonnepanelen zou kunnen maken uit het verleden.

In een onderzoek uit 2014, gepubliceerd in het tijdschrift Fysische chemie Chemische fysica , Energiedeskundige professor Troy Townsend van St. Mary's College of Maryland introduceerde de eerste volledig in een oplossing verwerkte, volledig anorganische fotovoltaïsche technologie.

Terwijl de vooruitgang op het gebied van organische dunne-film fotovoltaïsche zonne-energie snel groeit, anorganische apparaten hebben nog steeds het record voor de hoogste efficiëntie, wat gedeeltelijk te danken is aan hun brede spectrale absorptie en uitstekende elektronische eigenschappen. Gezien de geregistreerde hogere efficiëntie en lagere kosten per watt in vergelijking met organische apparaten, gecombineerd met de verbeterde thermische en fotostabiliteit van anorganische materialen op grote schaal, Townsend, in zijn studie uit 2014, gericht op een volledig op anorganische gebaseerde structuur voor de fabricage van een volledig oplossingsgebaseerde zonnecel van boven naar beneden.

Een groot nadeel ten opzichte van biologische, echter, is dat anorganische materialen moeilijk uit oplossing kunnen worden afgezet. Om dit te overwinnen, Townsend synthetiseerde materialen op nanoschaal. Anorganische nanokristallen ingekapseld in een organische ligandomhulling zijn oplosbaar in organische oplosmiddelen en kunnen worden afgezet vanuit een oplossing (d.w.z. spin-, dip-, spray-coat) terwijl traditionele anorganische materialen een vacuümkamer op hoge temperatuur vereisen. De zonne-apparaten zijn vervaardigd uit deeltjesinkten op nanoschaal van de lichtabsorberende lagen, cadmiumtelluride/cadmiumselenide, en metallic inkten boven en onder. Op deze manier, het hele elektronische apparaat kan worden gebouwd op niet-geleidende glassubstraten met behulp van apparatuur die u in uw keuken kunt vinden.

De grootste uitdaging voor de (3-5 nm) anorganische nanokristallen is dat ze moeten worden uitgegloeid of verwarmd om grotere 'bulkschaal'-korrels (100 nm tot 1 μm) te vormen om werkende apparaten te produceren. Townsend werkte onlangs samen met onderzoekers van de marine om dit proces te onderzoeken.

"Als je op deze nanokristallen spuit, je moet ze verhitten om ze te laten werken, " legde Townsend uit, "maar je kunt de kristallen niet alleen zelf verwarmen, je moet een sintermiddel toevoegen en dat, de laatste 40 jaar, cadmiumchloride is geweest, een giftig zout dat wordt gebruikt in commerciële dunnefilmapparaten. Niemand heeft niet-giftige alternatieven getest voor inktapparaten op nanoschaal, en we wilden het mechanisme van het sinterproces onderzoeken om veiligere zouten te kunnen implementeren."

In zijn laatste studie, dit jaar gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A , Townsend, samen met onderzoekers van de marine, ontdekte dat ammoniumchloride een niet-toxisch, goedkoop levensvatbaar alternatief voor cadmiumchloride voor nanokristallen zonnecellen. Deze ontdekking kwam na het testen van verschillende zouten. Apparaten gemaakt met ammoniumchloride (dat vaak wordt gebruikt bij het maken van brood) hadden vergelijkbare apparaatkenmerken als die gemaakt met cadmiumchloride, en de verschuiving van cadmiumzoutbehandelingen vermindert de bezorgdheid over de milieugezondheid en veiligheid van de huidige verwerkingsmethoden.

Het team ontdekte ook dat de rol van de zoutbehandeling cruciale ligandverwijderingsreacties omvat. Dit is uniek voor anorganische nanokristallen en wordt niet waargenomen voor vacuümdepositiemethoden op grote schaal. "Er is veel opwindend werk verricht aan de uitwisseling van nanokristallen, maar, Voor de eerste keer, we verduidelijkten de dubbele rol van het zout als een liganduitwisselingsmiddel en een gelijktijdig sintermiddel. Dit is een belangrijk onderscheid voor deze apparaten, omdat nanokristallen typisch worden gesynthetiseerd met een natuurlijke organische ligandschil. Deze schil moet vóór het verwarmen worden verwijderd om de elektronische eigenschappen van de film te verbeteren, " zei Townsend over de ontdekking. Omdat nanomaterialen in de voorhoede zijn van opkomende nieuwe eigenschappen in vergelijking met hun bulk-tegenhanger, de studie is belangrijk voor de toekomst van de fabricage van elektronische apparaten.

Het onderzoek volgt op de aankondiging van de regering-Obama in juli om meer zonnepanelen op woningen met een laag inkomen te plaatsen en de toegang tot zonne-energie voor huurders uit te breiden. en recente belofte om tegen 2030 20 procent van de totale elektriciteit in de VS uit hernieuwbare bronnen te halen.

"Direct, zonnetechnologie is enigszins onbereikbaar voor de gemiddelde persoon, " zei Townsend. "De droom is om het montage- en installatieproces zo goedkoop en eenvoudig te maken dat je naar je plaatselijke bouwmarkt kunt gaan en een kit kunt kopen en het vervolgens op je eigen dak kunt spuiten. Daarom werken we aan spray-on zonnecellen."

Townsend plant verder onderzoek om de efficiëntie van de volledig anorganische nanokristallen zonnecellen te verhogen (momenteel bereikt vijf procent), terwijl ze worden gebouwd met volledig niet-toxische componenten.