Струйный солнечный элемент
Струйные солнечные элементы — это солнечные элементы , изготовленные недорогими высокотехнологичными методами, в которых используется струйный принтер для нанесения полупроводникового материала и электродов солнечного элемента на подложку .
Этот подход разрабатывается независимо в различных местах, включая Университет Нового Южного Уэльса , [1] [2] Государственный университет Орегона , [3] Массачусетский технологический институт , [4] и Сауле Технологии [5] С момента появления перовскитных солнечных элементов и их быстрого роста эффективности исследования ячеек [6] возобновился интерес к разработке солнечных элементов, напечатанных на струйной печати, поскольку они пригодны для обработки в растворе. [7]
История
[ редактировать ]Первый случай печатной электроники был замечен в 1903 году, когда Альберт Хэнсон подал патент на «печатный» провод. После этого радио продвинуло вперед индустрию печатной электроники. До недавнего времени струйные принтеры не использовались в промышленности печатной электроники. Промышленность решила перейти на струйную печать из-за ее низкой стоимости и гибкости использования. [8] Одним из таких используемых является струйный солнечный элемент. Первый случай создания солнечной батареи с помощью струйного принтера был осуществлен Конаркой в 2008 году. [9] В 2011 году Университет штата Орегон смог найти способ создания солнечных элементов CIGS с помощью струйного принтера. В том же году Массачусетскому технологическому институту удалось создать солнечный элемент с помощью струйного принтера на бумаге. Использование струйного принтера для изготовления солнечных элементов является новинкой и все еще исследуется. [10] В 2014 году Ольга Малинкевич представила свой процесс производства струйной печати листов перовскита в Бостоне (США) во время осенней встречи MRS , за что она получила награду MIT Technology Review для новаторов в возрасте до 35 лет. [11]
Как они сделаны
[ редактировать ]Обычно струйные солнечные элементы изготавливаются с использованием струйного принтера для нанесения полупроводникового материала и электродов на подложку солнечного элемента. [12] Как органические, так и неорганические солнечные элементы могут быть изготовлены с использованием струйного метода. Неорганические солнечные элементы, напечатанные на струйной печати, в основном представляют собой CIGS солнечные элементы . Органические солнечные элементы представляют собой полимерные солнечные элементы . струйная печать гибридных перовскитных солнечных элементов Также возможна . Важнейшим компонентом чернил является функциональный материал: смесь солей металлов (CIGS), смесь полимерных фуллеренов ( полимерные солнечные элементы ) или предшественник смешанных органических и неорганических солей ( перовскитные солнечные элементы ). Эти компоненты растворяют в соответствующем растворителе. Могут быть добавлены дополнительные компоненты, чтобы повлиять на вязкость и поверхностное натяжение чернил для улучшения качества печати и смачивания подложки. Чернила содержатся в картридже, откуда они передаются на подложку, которая может различаться. Печать обычно осуществляется с помощью пьезоэлектрического привода в соплах печатающей головки, который запрограммирован на применение заранее заданных шаблонов давления для выброса капель. В большинстве случаев несколько слоев функциональных материалов наносятся друг на друга для создания работающего солнечного элемента. Весь процесс печати можно выполнять в условиях окружающей среды, хотя в большинстве случаев необходима дополнительная термообработка. Важными факторами эффективности органических солнечных элементов, напечатанных на струйной печати, являются время задержки струйной печати, температура стола для струйной печати и влияние химических свойств полимера-донора. [13] [14] [15]
Преимущества
[ редактировать ]Основным преимуществом печати солнечных элементов на струйном принтере является низкая стоимость производства. Причина, по которой он дешевле, чем другие методы, заключается в том, что вакуум не требуется, что делает оборудование дешевле. Кроме того, чернила представляют собой недорогую смесь солей металлов, что снижает стоимость солнечных элементов. По сравнению с другими методами, такими как осаждение из паровой фазы, при использовании струйных принтеров для нанесения полупроводникового материала отходы материала очень малы. Это связано с тем, что принтер способен создавать точные рисунки с минимальными отходами. В некоторых струйных солнечных элементах используется материал CIGS , который имеет большую солнечную эффективность, чем традиционные кремниевые солнечные панели. Использование CIGS делает очень важным сокращение отходов из-за редкости некоторых материалов, содержащихся в нем. Этот метод также является экологически чистым, поскольку не требует использования токсичных химикатов для подготовки солнечного элемента, как это делают другие методы. [10] [15]
Недостатки
[ редактировать ]Эффективность струйных солнечных элементов слишком низка, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. Даже если эффективность повысится, материалы, используемые для солнечных элементов, могут стать проблемой. Индий — редкий материал, используемый в этих элементах, и, согласно нашему нынешнему использованию, он может исчезнуть в течение 15 лет. Другая проблема — создание чернил, устойчивых к атмосферным воздействиям, способных выдерживать суровые условия. [16] [17]
Потенциал
[ редактировать ]В традиционных солнечных элементах материал, содержащий фотоэлектрический материал, обычно стоит дороже, чем сам материал. С помощью струйной печати можно печатать солнечные элементы на бумаге. Это позволит солнечным элементам быть намного дешевле и размещаться практически где угодно. Солнечные элементы толщиной с бумагу или, в конечном итоге, прямая 3D-печать позволят создавать солнечные элементы на жалюзи, окнах, шторах и практически в любом месте дома. Это очень многообещающе и может стать будущим солнечной энергетики. [18]
См. также
[ редактировать ]- Перовскитовый солнечный элемент
- Солнечная батарея CIGS
- Органический солнечный элемент
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Смит, Дебора (20 августа 2008 г.). «Мысль вне площади находит свет в печи» . Сидней Морнинг Геральд . Проверено 23 августа 2008 г.
- ^ Леннон, Элисон Дж.; Утама, Роланд Ю.; и др. (2008). «Формирование отверстий в полупроводниковых слоях кремниевых солнечных элементов методом струйной печати». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 92 (11): 1410–1415. Бибкод : 2008SEMSC..92.1410L . дои : 10.1016/j.solmat.2008.05.018 .
- ^ «Новости BBC – Ученые используют струйную печать для производства солнечных элементов» . bbc.co.uk. 2012 . Проверено 20 февраля 2012 г.
- ^ Чендлер, Дэвид Л. (2012). «Пока вы не спите, напечатайте мне солнечную батарею — офис новостей Массачусетского технологического института» . web.mit.edu . Проверено 20 февраля 2012 г.
- ^ ЭМИЛИЯ ВЕДЗЮК (15 марта 2016 г.). «Перовскитовая революция в воздухе - ITKeyMedia» . itkey.media .
- ^ «Диаграмма эффективности NREL» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) . Проверено 4 августа 2017 г.
- ^ Снайт, Генри Дж. (2013). «Перовскиты: появление новой эры недорогих и высокоэффективных солнечных элементов». Журнал физической химии . 4 (21): 3623–3630. дои : 10.1021/jz4020162 .
- ^ Савастано, Дэвид. «Струйная печать делает успехи в области печатной электроники» . Печатная электроника сейчас. Архивировано из оригинала 30 октября 2012 года . Проверено 16 февраля 2013 г.
- ^ «Конарка объявляет о первой в истории демонстрации солнечных элементов, напечатанных на струйной печати» . Конарка . Проверено 16 февраля 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б «СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ ЛИЦО ПРОМЫШЛЕННОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ» . Университет штата Орегон . Проверено 25 февраля 2013 г.
- ^ «Ольга Малинкевич | Новаторы до 35 лет» . innovatorsunder35.com . 2015. Архивировано из оригинала 2 августа 2017 г. Проверено 4 августа 2017 г.
- ^ Ламперт, CM (ноябрь 2008 г.). «Формирование отверстий в полупроводниковых слоях кремниевых солнечных элементов методом струйной печати». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 92 (11): 1410–1415. Бибкод : 2008SEMSC..92.1410L . дои : 10.1016/j.solmat.2008.05.018 .
- ^ Хот, Клаудия; Павел Шилинский; Стелиос А. Шулис; Кристоф Дж. Брабец (7 августа 2008 г.). «Печать высокоэффективных органических солнечных элементов». Нано-буквы . 8 (9): 2806–2813. Бибкод : 2008NanoL...8.2806H . CiteSeerX 10.1.1.578.5674 . дои : 10.1021/nl801365k . ПМИД 18683989 .
- ^ Аэрнаутс, Т. (25 января 2008 г.). «Органические солнечные элементы на основе полимеров с использованием активных слоев, напечатанных на струйной печати» (PDF) . Письма по прикладной физике . ОРГАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ФОТОНИКА. 92 (3): 033306. Бибкод : 2008ApPhL..92c3306A . дои : 10.1063/1.2833185 .
- ^ Перейти обратно: а б Ван, Вэй (сентябрь 2011 г.). «Тонкопленочные солнечные элементы на халькопирите CuInxGa1-xSe2, напечатанные на струйной печати». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 95 (9): 2616–2620. дои : 10.1016/j.solmat.2011.05.011 .
- ^ Роудс, Крис. «КПД тонкопленочных солнечных элементов 14%, но откуда возьмется индий?» . Форбс . Проверено 4 февраля 2013 г.
- ^ Зейдман, Бьянка. «Струйная печать солнечных панелей: дешево и почти экологично» . ПБС . Проверено 4 февраля 2013 г.
- ^ Чендлер, Дэвид (11 июля 2011 г.). «Пока ты не спишь, распечатай мне солнечную батарею» . Массачусетский технологический институт . Проверено 4 февраля 2013 г.