Titanium Nanorods: Fremtiden for Solpaneler

Hvordan titans lysreaktive egenskaber forbedrer solydelsen

Reaktionen af visse specifikke metaller eller elementer på lys er allerede en meget vigtig del af den moderne verden. Dette er åbenlyst sandt for silicium i solpaneler, men det gælder også for mange sensorer, elektroniske enheder og mange andre lysfølsomme apparater.

Et sådant metal er titanium. Selvom meget af titans ry stammer fra at være en slags “superstål”, så stærkt men meget lettere og korrosionsbestandigt, er dette ikke faktisk dets primære anvendelse.

Titaniumdioxid (TiO₂) udgør 95 % af den rå titaniummalm, der udvindes, og anvendes som et stærkt hvidt permanent pigment i maling, papir, tandpasta og plast. Dette pigment er modstandsdygtigt over for sollys og kemisk inaktivt. Det kan senere blandes med kemikalier for at skabe levende farver og maling.

De samme optiske egenskaber er grunden til, at det også bruges i solcreme, takket være dets evne til at reflektere og absorbere UV‑stråler.

Kilde: Chemours

Et andet eksempel på titans bemærkelsesværdige optiske egenskaber er perovskitter, en naturligt forekommende krystaltype lavet af calcium‑ og titaniumoxid (CaTiO3). Perovskitsolceller, også ofte kaldet tyndfilmssolceller, kan installeres i kombination med silicium eller som en selvstændig solcelle.

Kilde: Department Of Energy

Dette er grunden til, at forskere undersøger måder at få titanium til at reagere endnu mere på sollys og andre lyskilder.

Forskere ved University of Science and Technology of China og den kinesiske akademi for videnskab har opdaget en ny metode til at dyrke titaniumdioxid-nanorod-arrays (TiO₂-NA) og demonstreret deres anvendelse i højtydende solceller.

De offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Small Methods¹ under titlen “Afsløring af vækst‑ og fotovoltaiske principper i tæthedskontrollerbare TiO2‑nanorod‑arrays for effektive solceller”.

Metalnanorods

Når det gælder kemiske eller optiske reaktioner, er den faktiske overflade af et metal vigtigt. Hvis den er glat, vil den omtrent have samme størrelse som materialet, som man ser med øjet.

Men hvis den har mere komplekse mikrostrukturer, kan den have dusinvis eller hundredevis af gange mere kontaktflade, hvilket øger effektiviteten og hastigheden af den ønskede reaktion.

For eksempel er dette, hvordan forskere bruger nikkelnanorods til at katalysere hydrogenproduktion uden ædle metaller som platin.

Den samme metode kan bruges til at fremstille titaniumnanorods, som kun måler få nanometer i diameter.

Kilde: ResearchGate

Det er kendt, at enkeltkrystallinske TiO₂-nanorods udmærker sig i at indfange lys og lede ladning, hvilket gør dem ideelle til solceller, fotokatalysatorer og sensorer.

Dog har traditionelle fremstillingsmetoder svært ved at kontrollere alle parametrene på én gang, såsom rodens tæthed, diameter og længde. I hvert fald indtil nu.

Hvordan kontrolleret nanorodvækst opnås

Forskerne forbedrede et trin, hvor filmen udsættes for hydrotermisk behandling, hvor nanopartiklerne omdannes in situ til rutile (en form for titaniumdioxid).

Kilde: ResearchGate

De fungerer som frø til senere nanorodvækst. Denne metode giver en effektiv måde at kontrollere rodens tæthed på uden at ændre nanorodens dimensioner.

Kilde: ResearchGate

På denne måde lykkedes det forskerne for første gang at producere ensartet roddiameter og -højde, selvom antallet af stænger pr. område varierede.

Kilde: ResearchGate

Titaniumnanorods i næste generations solcelleeffektivitet

Disse nanorods blev indarbejdet i lavtemperaturbehandlede CuInS₂-solceller (kobber‑indium‑sulfid). Denne type solpanel, som stadig er under udvikling, kunne være et muligt, ikke-giftigt alternativ til cadmium‑baserede halvledere.

Kilde: ResearchGate

Titaniumnanorodsene forbedrede solcellens lysfangst, ladningsseparation og ladningsindsamling.

Solcellen nåede en energikonverteringseffektivitet på 10,44 %, en ny rekord for denne type solcelle.

Det betyder ikke, at CuInS₂-solceller endnu er klar til kommercielle anvendelser, da mere almindelige siliciumceller eller endda perovskit‑ og cadmium‑tellurid‑tyndfilm‑celler alle har en effektivitet på over 20 %.

Designet er dog lovende, da det kan masseproduceres (syntetiseres og behandles ved hjælp af opløsningsbaserede metoder) og teoretisk set kan være lige så effektivt som siliciumceller.

Denne type materiale kan også integreres i andre solceldesigns som det primære lysabsorberende lag i et mere komplekst design, der inkorporerer andre elementer.

Sammenligning af solcelleteknologier

Investering i solenergi

First Solar er den største producent af solpaneler i USA og i hele den vestlige halvkugle med produktionssteder i USA, Malaysia og Vietnam.

Virksomheden bruger ikke den klassiske krystallinske siliciumteknologi, men i stedet deres proprietære tyndfilm-fotovoltaik. Baseret på cadmium‑tellurid er de mere effektive, produceres til lavere omkostninger og kan let masseproduceres. Tyndfilmssolpaneler er også mere holdbare og bevarer 89 % af deres oprindelige ydeevne efter 30 år.

Kilde: First Solar

Cadmium og tellurid er biprodukter fra minedrift af andre metaller, hvilket betyder, at First Solars produkter har minimal påvirkning, da de bruger ressourcer, der tidligere havde lille anvendelse. Tyndfilmspaneler kan også have en høj genanvendelsesrate.

First Solars teknologiske fordel, kombineret med deres geografiske placering, gør dem til den sandsynlige modtager af den stigende opfordring i vestlige lande om at hente deres paneler fra uden for Kina.

Virksomheden øger hurtigt sin produktionskapacitet med mål om at nå en nominel kapacitet på 25 GW i 2026, fra de nuværende 11 GW.

Mens de i dag fokuserer på at producere de mere modne cadmium‑tellurid‑solpaneler, undersøger First Solar andre tyndfilmteknologier, efterhånden som de bliver klar til kommerciel produktion i stor skala.

Det bemærkede i sin investorpræsentation, at perovskit bør have en “udviklingslinje klar til at producere teknologiprøver af perovskit, der simulerer produktionslignende forhold”.

First Solar har brugt i alt 2 milliarder dollars på forskning og udvikling siden virksomhedens start.

Alt i alt er First Solar en teknologisk leder, der vil drage fordel af told på kinesiske importvarer, hvilket sandsynligvis vil opveje den negative effekt på solenergiindustrien fra Trumps genvalg.

Selvom de hidtil primært har fokuseret på tyndfilmssol ved brug af cadmium‑tellurid, kan deres ekspertise inden for ikke‑siliciumsolpanelproduktion give dem et betydeligt forspring med perovskit eller andre titaniumbaserede solpaneler, især i betragtning af deres tætte samarbejde med nogle af de førende forskere på dette område.

Seneste First Solar (FSLR) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Afsløring af vækst‑ og fotovoltaiske principper i tæthedskontrollerbare TiO2‑nanorod‑arrays for effektive solceller. Small Methods. 22 april 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}