Titaniumnanorodit: Aurinkopaneelien Tulevaisuus

Kuinka titaanin valoon reagoivat ominaisuudet parantavat aurinkopaneelien suorituskykyä

Joidenkin tietyt metallit tai alkuaineet reagoivat valoon, ja tämä on jo erittäin tärkeä osa nykypäivää. Tämä on ilmiselvästi totta piilelelle aurinkopaneeleissa, mutta se pätee myös moniin antureihin, elektronisiin laitteisiin ja muihin valolle herkkiin välineisiin.

Yksi tällainen metalli on titaani. Vaikka titaania pidetään usein eräänlaisena “superteräksenä”, vahvana mutta paljon kevyempänä ja korroosiankestävänä, tämä ei ole sen pääasiallinen käyttö.

Titaanidioksidi (TiO₂) kuluttaa 95 % louhitusta titaanimalmista ja sitä käytetään vahvana valkoisena pysyvänä pigmenttinä maaleissa, paperissa, hammastahnassa ja muoveissa. Tämä pigmentti on aurinkokestävä ja kemiallisesti inertti. Sitä voidaan myöhemmin sekoittaa kemikaaleihin kirkkaiden värien ja maaleiden valmistamiseksi.

Samat optiset ominaisuudet selittävät, miksi sitä käytetään myös aurinkovoiteissa, kiitos sen kyvyn heijastaa ja absorboida UV-säteitä.

Lähde: Chemours

Toinen esimerkki titaanin merkittävistä optisista ominaisuuksista on perovskiitit, luonnollisesti esiintyvä kristallityyppi, joka koostuu kalsium- ja titaanidioksidista (CaTiO3). Perovskiittisolarisolut, joita kutsutaan myös usein ohutkalvosolarisoluiksi, voidaan asentaa yhdessä piin kanssa tai itsenäisenä aurinkosoluna.

Lähde: Department Of Energy

Tämän vuoksi tutkijat etsivät keinoja saada titaani reagoimaan entistä enemmän auringonvaloon ja muihin valonlähteisiin.

Kiinan Tieteen ja Teknologian Yliopiston sekä Kiinan tiedeakatemian tutkijat ovat löytäneet uuden tavan kasvattaa titaanidioksidin nanorodijärjestelmiä (TiO₂-NA) ja osoittaneet niiden soveltuvuuden suorituskykyisissä aurinkosoluissa.

He julkaisevat tuloksensa tieteellisessä lehdessä Small Methods¹, otsikolla “Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”.

Metallinanorodit

Kun tarkastellaan kemiallisia tai optisia reaktioita, metallin todellinen pinta on tärkeä. Jos se on sileä, se on suunnilleen materiaalin koko silmällä nähtynä.

Mutta jos sillä on monimutkaisempia mikrorakenteita, sillä voi olla kymmeniä tai satoja kertoja enemmän kosketuspintaa, mikä tehostaa halutun reaktion tehokkuutta ja nopeutta.

Esimerkiksi näin tutkijat käyttävät nikkelinanorodeja katalysoimaan vedyn tuotantoa ilman jalometalleja kuten platinaa.

Samaa menetelmää voidaan käyttää titaaninanorodien luomiseen, joiden halkaisija on vain muutama nanometri.

Lähde: ResearchGate

On tiedossa, että yksikiteiset TiO₂-nanorodit erottuvat valon keräämisessä ja varauksen johtamisessa, mikä tekee niistä ihanteellisia aurinkosoluille, fotokatalyytseille ja antureille.

Kuitenkin perinteiset valmistusmenetelmät kamppailevat hallitakseen kaikkia parametreja samanaikaisesti, kuten nanorodien tiheyttä, halkaisijaa ja pituutta. Ainakin tähän asti.

Miten hallittu nanorodien kasvu saavutetaan

Tutkijat paransivat vaihetta, jossa kalvo altistetaan hydrotermiselle käsittelylle, jossa nanopartikkelit muuntuvat paikallisesti rutiiiniksi (titaanidioksidin muoto).

Lähde: ResearchGate

Ne toimivat siemeniä myöhemmälle nanorodien kasvulle. Tämä menetelmä tarjoaa tehokkaan tavan hallita nanorodien tiheyttä muuttamatta niiden mittoja.

Lähde: ResearchGate

Tällä tavoin tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa tuottamaan tasaisen nanorodien halkaisijan ja korkeuden, vaikka nanorodien määrä per pinta-ala vaihtui.

Lähde: ResearchGate

Titaniumnanorodit seuraavan sukupolven aurinkokennon tehokkuudessa

Nämä nanorodit sisällytettiin matalan lämpötilan prosessoituihin CuInS₂-aurinkosoluihin (kupari-indium-sulfiidi). Tämä aurinkopaneelityyppi, joka on vielä kehitysvaiheessa, voisi olla mahdollinen, myrkyttömänä vaihtoehto kadmiumipohjaisille puolijohteille.

Lähde: ResearchGate

Titaniumnanorodit paransivat aurinkokennon valon talteenottoa, varauksen erottumista ja kantajien keräystä.

Aurinkosolu saavutti 10,44 % energianmuunnostehokkuuden, mikä on uusi ennätys tälle solutyypille.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että CuInS₂-aurinkosolut olisivat valmiita kaupalliseen käyttöön, sillä yleisemmät piisolut tai jopa perovskiitti- ja kadmium-telluuridioksidipohjaiset ohutkalvosolut saavuttavat yli 20 % tehokkuuden.

Suunnittelu on kuitenkin lupaava, sillä se voitaisiin massatuottaa (synteettisesti ja prosessoida liuospohjaisilla menetelmillä) ja se voisi teoreettisesti olla yhtä tehokas kuin piisolut.

Tämän tyyppinen materiaali voitaisiin myös integroida muihin aurinkokennorakenteisiin, ensisijaisena valoa absorboivana kerroksena monimutkaisemmassa rakenteessa, jossa on muita elementtejä.

Aurinkokennojen teknologioiden vertailu

Jotta voidaan paremmin ymmärtää, missä CuInS₂ + TiO₂-nanorodien aurinkokennot seisovat, tarkastellaan niiden vertailua muihin merkittäviin tyyppeihin:

Sijoittaminen aurinkoon

First Solar on Yhdysvaltojen ja koko Länsi-pallon suurin aurinkopaneelivalmistaja, jonka tuotantolaitokset sijaitsevat Yhdysvalloissa, Malesiassa ja Vietnamissa.

Yritys ei käytä perinteistä kitepi-teknologiaa, vaan sen omaa ohutkalvopohjaista fotovoltaista teknologiaa. Kadmiumtelluridiin perustuvat paneelit ovat tehokkaampia, valmistetaan alhaisemmalla kustannuksella ja ne voidaan helposti massatuottaa. Ohutkalvopaneelit ovat myös kestävämpiä, säilyttäen 89 % alkuperäisestä suorituskyvystään 30 vuoden jälkeen.

Lähde: First Solar

Kadmium ja telluridi ovat muiden metallien louhinnan sivutuotteita, mikä tarkoittaa, että First Solarin tuotteilla on minimaalinen vaikutus, sillä ne käyttävät resursseja, joilla ei aiemmin ollut suurta käyttöä. Ohutkalvopaneeleilla on myös korkea kierrätysaste.

First Solarin teknologinen etu yhdistettynä sen maantieteelliseen sijaintiin tekee siitä todennäköisen hyötyjän länsimaiden kasvavasta pyrkimyksestä hankkia paneelit Kiinan ulkopuolelta.

Yritys kasvattaa tuotantokapasiteettiaan nopeasti, tavoitteena saavuttaa 25 GW nimelliskapasiteetti vuoteen 2026 mennessä, nykyisestä 11 GW:sta.

Vaikka yritys keskittyy tällä hetkellä tuottamaan kypsämpiä kadmiumtelluridi-aurinkopaneeleja, First Solar tutkii muita ohutkalvoteknologioita, kun ne ovat valmiita kaupalliseen massatuotantoon.

Se kommentoi merkittävästi sijoittajiesittelyssään, että perovskiitilla tulisi olla “kehityslinja, joka on valmiina tuottamaan perovskiitin teknologiasampleja, simuloiden valmistusolosuhteita”.

First Solar on käyttänyt yhteensä 2 miljardia dollaria T&K-toimintaan perustamisestaan lähtien.

Kaiken kaikkiaan First Solar on teknologiajohtaja, joka hyötyy Kiinan tuontitulleista, mikä todennäköisesti kompensoi aurinkoteollisuuden negatiivista vaikutusta Trumpin uudelleenkandidaatiosta.

Vaikka yritys on tähän mennessä keskittynyt pääasiassa ohutkalvoaurinkoon, jossa käytetään kadmiumtelluridia, sen asiantuntemus ei-piipohjaisten aurinkopaneelien valmistuksessa voisi antaa merkittävän etulyöntiaseman perovskiitti- tai muiden titaanipohjaisten aurinkopaneelien kanssa, erityisesti ottaen huomioon sen syvät yhteydet alan huippututkijoihin.

Viimeisimmät First Solar (FSLR) -osakkeen uutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells. Small Methods. 22 huhtikuu 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}