Τιτανίου Νανοράβδοι: Το Μέλλον των Ηλιακών Πάνελ

Πώς οι Φωτοαντιδραστικές Ιδιότητες του Τιτανίου Βελτιώνουν την Απόδοση των Ηλιακών Συστημάτων

Η αντίδραση ορισμένων συγκεκριμένων μετάλλων ή στοιχείων στο φως αποτελεί ήδη ένα πολύ σημαντικό μέρος του σύγχρονου κόσμου. Αυτό είναι προφανώς αλήθεια για το πυρίτιο στα ηλιακά πάνελ, αλλά ισχύει επίσης για πολλούς αισθητήρες, ηλεκτρονικές συσκευές και πολλά άλλα εξοπλισμένα με ευαισθησία στο φως.

Ένα τέτοιο μέταλλο είναι ο τιτάνιο. Ενώ μεγάλο μέρος της φήμης του τιτανίου προέρχεται από το ότι θεωρείται ένα είδος «υπέρ-χάλυβα», τόσο ισχυρό όσο και πολύ ελαφρύτερο και ανθεκτικό στη διάβρωση, αυτό δεν είναι στην πραγματικότητα η κύρια χρήση του.

Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO₂) καταναλώνει το 95 % του ακατέργαστου ορυκτού τιτανίου που εξορύσσεται και χρησιμοποιείται ως ισχυρό λευκό μόνιμο χρώμα σε χρώματα, χαρτί, οδοντόπαστα και πλαστικά. Αυτό το χρώμα είναι ανθεκτικό στο ηλιακό φως και χημικά αδρανές. Μπορεί στη συνέχεια να αναμειχθεί με χημικά για τη δημιουργία ζωηρών χρωμάτων και βαφών.

Οι ίδιες οπτικές ιδιότητες είναι ο λόγος που χρησιμοποιείται επίσης σε αντηλιακά, χάρη στην ικανότητά του να αντανακλά και να απορροφά τις UV ακτίνες.

Πηγή: Chemours

Ένα άλλο παράδειγμα των αξιοσημείωτων οπτικών ιδιοτήτων του τιτανίου είναι τα περοβσκίτες, ένας φυσικός τύπος κρυστάλλου που αποτελείται από οξείδιο του ασβεστίου και του τιτανίου (CaTiO3). Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη, που συχνά αποκαλούνται επίσης λεπτόφιλμ ηλιακά κύτταρα, μπορούν να εγκατασταθούν σε συνδυασμό με πυρίτιο ή ως αυτόνομα ηλιακό κύτταρο.

Πηγή: Department Of Energy

Γι’ αυτό οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους να κάνουν τον τιτάνιο να αντιδρά ακόμη περισσότερο με το ηλιακό φως και άλλες πηγές φωτός.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας και της Κινέζικης Ακαδημίας Επιστημών έχουν ανακαλύψει έναν νέο τρόπο καλλιέργειας διατάξεων νανοράβδων διοξειδίου του τιτανίου (TiO₂-NA) και έχουν επιδείξει την εφαρμογή τους σε ηλιακά κύτταρα υψηλής απόδοσης.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο επιστημονικό περιοδικό Small Methods¹, υπό τον τίτλο “Αποκάλυψη της Ανάπτυξης και των Φωτοβολταϊκών Αρχών σε Πυκνότητα-Διαχειρίσιμες Διατάξεις Νανοράβδων TiO2 για Αποδοτικά Ηλιακά Κύτταρα”.

Μεταλλικές Νανοράβδοι

Όταν πρόκειται για χημικές ή οπτικές αντιδράσεις, η πραγματική επιφάνεια ενός μεταλλικού υλικού είναι σημαντική. Εάν είναι λείος, θα είναι περίπου του μεγέθους του υλικού όπως φαίνεται με το μάτι.

Αλλά αν διαθέτει πιο σύνθετες μικροδομές, μπορεί να έχει δεκάδες ή εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής, ενισχύοντας την αποδοτικότητα και την ταχύτητα της επιθυμητής αντίδρασης.

Για παράδειγμα, αυτό είναι πώς ερευνητές χρησιμοποιούν νικελίου νανοράβδους για την καταλύση της παραγωγής υδρογόνου χωρίς πολύτιμα μέταλλα όπως το πλατίνα.

Η ίδια μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νανοράβδων τιτανίου, με διάμετρο μόλις λίγα νανόμετρα.

Πηγή: ResearchGate

Γνωρίζεται ότι οι μονοκρυσταλλικές νανοράβδοι TiO₂ διαπρέπουν στη συλλογή φωτός και στη μεταφορά φορτίου, καθιστώντας τις ιδανικές για ηλιακά κύτταρα, φωτοκαταλύτες και αισθητήρες.

Ωστόσο, οι παραδοσιακές μέθοδοι κατασκευής δυσκολεύονται να ελέγξουν ταυτόχρονα όλες τις παραμέτρους, όπως η πυκνότητα των ράβδων, η διάμετρος και το μήκος. Τουλάχιστον μέχρι τώρα.

Πώς Επιτυγχάνεται η Ελεγχόμενη Ανάπτυξη Νανοράβδων

Οι ερευνητές βελτίωσαν ένα στάδιο όπου η μεμβράνη υποβάλλεται σε υδροθερμική επεξεργασία, όπου τα νανοσωματίδια μετατρέπονται εντός του σε ρουτίλιο (μια μορφή διοξειδίου του τιτανίου).

Πηγή: ResearchGate

Λειτουργούν ως σπόροι για την επακόλουθη ανάπτυξη νανοράβδων. Αυτή η μέθοδος παρέχει έναν αποτελεσματικό τρόπο ελέγχου της πυκνότητας των ράβδων χωρίς να αλλάζει τις διαστάσεις των νανοράβδων.

Πηγή: ResearchGate

Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να παράγουν σταθερή διάμετρο και ύψος των ράβδων, ακόμη και όταν ο αριθμός των ράβδων ανά περιοχή διέφερε.

Πηγή: ResearchGate

Νανοράβδοι Τιτανίου στην Αποδοτικότητα των Επόμενης Γενιάς Ηλιακών Κυττάρων

Αυτές οι νανοράβδοι ενσωματώθηκαν σε ηλιακά κύτταρα CuInS₂ επεξεργασμένα σε χαμηλή θερμοκρασία (χαλκό-ινδίου-θειούχου). Αυτός ο τύπος ηλιακού πάνελ, που βρίσκεται ακόμη σε ανάπτυξη, θα μπορούσε να είναι μια πιθανή, μη τοξική εναλλακτική λύση στα ημιαγωγικά βασισμένα σε κάδμιο.

Πηγή: ResearchGate

Οι νανοράβδοι τιτανίου βελτίωσαν την παγίδευση του φωτός, τον διαχωρισμό φορτίων και τη συλλογή φορέων στο ηλιακό κύτταρο.

Το ηλιακό κύτταρο έφτασε σε απόδοση μετατροπής ισχύος 10,44 %, ένα νέο ρεκόρ για αυτόν τον τύπο ηλιακού κύτταρου.

Αυτό δεν σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα CuInS₂ είναι ακόμη έτοιμα για εμπορικές εφαρμογές, καθώς τα πιο κοινά πυριτιούχα κύτταρα ή, ακόμη και τα περοβσκίτη και τα λεπτόφιλμ κύτταρα καδμίου-τελλουρίτη, έχουν αποδοτικότητα άνω του 20 %.

Ωστόσο, ο σχεδιασμός είναι υποσχόμενος, καθώς θα μπορούσε να κατασκευαστεί μαζικά (συνθετικά και επεξεργασμένο με μεθόδους βασισμένες σε διαλύματα) και θεωρητικά θα μπορούσε να είναι τόσο αποδοτικός όσο τα πυριτιούχα κύτταρα.

Αυτός ο τύπος υλικού θα μπορούσε επίσης να ενσωματωθεί σε άλλους σχεδιασμούς ηλιακών κυττάρων, ως η κύρια στρώση απορρόφησης φωτός σε πιο σύνθετο σχεδιασμό που ενσωματώνει άλλα στοιχεία.

Σύγκριση Τεχνολογιών Ηλιακών Κυττάρων

Επένδυση στην Ηλιακή Ενέργεια

First Solar, Inc.

Η First Solar είναι ο μεγαλύτερος κατασκευαστής ηλιακών πάνελ στις ΗΠΑ και σε ολόκληρη τη Δυτική ημισφαίριο, με εργοστάσια παραγωγής στις ΗΠΑ, τη Μαλαισία και το Βιετνάμ.

Η εταιρεία δεν χρησιμοποιεί την κλασική τεχνολογία κρυσταλλικού πυριτίου, αλλά χρησιμοποιεί τις ιδιόκτητες λεπτόφιλμ φωτοβολταϊκές της τεχνολογίες. Βασισμένες σε κάδμιο-τελλουρίτη, είναι πιο αποδοτικές, παράγονται σε χαμηλότερο κόστος και μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν μαζικά. Τα λεπτόφιλμ ηλιακά πάνελ είναι επίσης πιο ανθεκτικά, διατηρώντας το 89 % της αρχικής τους απόδοσης μετά από 30 χρόνια.

Πηγή: First Solar

Το κάδμιο και το τελλουρίτη είναι παραπροϊόντα της εξόρυξης άλλων μετάλλων, πράγμα που σημαίνει ότι τα προϊόντα της First Solar έχουν ελάχιστο αντίκτυπο, χρησιμοποιώντας πόρους που προηγουμένως είχαν μικρή χρησιμότητα. Τα λεπτόφιλμ πάνελ μπορούν επίσης να έχουν υψηλό ποσοστό ανακύκλωσης.

Το τεχνολογικό πλεονέκτημα της First Solar, σε συνδυασμό με τη γεωγραφική της θέση, την καθιστά πιθανό ωφελούμενο της αυξανόμενης ώθησης των δυτικών χωρών να προμηθεύονται τα πάνελ τους εκτός Κίνας.

Η εταιρεία αυξάνει γρήγορα τη δυναμικότητα παραγωγής της, στοχεύοντας να φτάσει σε ονομαστική ισχύ 25 GW μέχρι το 2026, από τα τρέχοντα 11 GW.

Ενώ εστιάζει στην παραγωγή των πιο ώριμων ηλιακών πάνελ καδμίου-τελλουρίτη σήμερα, η First Solar εξερευνά άλλες τεχνολογίες λεπτόφιλμ καθώς γίνονται έτοιμες για παραγωγή σε εμπορική κλίμακα.

Στην παρουσίαση προς τους επενδυτές της, τόνισε ότι ο περοβσκίτης θα πρέπει να έχει μια “γραμμή ανάπτυξης έτοιμη για παραγωγή δειγμάτων τεχνολογίας περοβσκίτη, προσομοιώνοντας συνθήκες παρόμοιες με την παραγωγή”.

Η First Solar έχει δαπανήσει συνολικά 2 δισεκατομμύρια δολάρια σε Έ&Κ; (R&D) από την ίδρυσή της.

Συνολικά, η First Solar είναι ηγέτης τεχνολογίας που θα ωφεληθεί από τους δασμούς στις κινεζικές εισαγωγές, κάτι που πιθανότατα θα αντισταθμίσει το αρνητικό αποτέλεσμα στην ηλιακή βιομηχανία από την επανεκλογή του Τραμπ.

Ενώ μέχρι τώρα εστιάζει κυρίως σε λεπτόφιλμ ηλιακά πάνελ με κάδμιο-τελλουρίτη, η εμπειρία της στην κατασκευή μη-πυριτιούχων ηλιακών πάνελ θα μπορούσε να της προσφέρει σημαντικό προβάδισμα με περοβσκίτη ή άλλα ηλιακά πάνελ βασισμένα σε τιτάνιο, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη τις στενές σχέσεις της με μερικούς από τους κορυφαίους ερευνητές σε αυτόν τον τομέα.

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τις Μετοχές της First Solar (FSLR)

Μελέτη Αναφορά

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Αποκάλυψη της Ανάπτυξης και των Φωτοβολταϊκών Αρχών σε Πυκνότητα-Διαχειρίσιμες Διατάξεις Νανοράβδων TiO2 για Αποδοτικά Ηλιακά Κύτταρα. Small Methods. 22 Απριλίου 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}