Titanium Nanorods: De Toekomst van Zonnepanelen

Hoe de lichtreactieve eigenschappen van titanium de zonneprestaties verbeteren

De reactie van sommige specifieke metalen of elementen op licht is al een zeer belangrijk onderdeel van de moderne wereld. Dit is uiteraard waar voor silicium in zonnepanelen, maar het geldt ook voor vele sensoren, elektronische apparaten en vele andere lichtgevoelige apparatuur.

Een dergelijk metaal is titanium. Hoewel een groot deel van de reputatie van titanium voortkomt uit het feit dat het een soort “superstaal” is, zo sterk maar veel lichter en corrosiebestendig, is dit niet eigenlijk het belangrijkste gebruik.

Titaniumdioxide (TiO₂) verbruikt 95 % van het ruwe titaanerts dat wordt gedolven en wordt gebruikt als een sterk wit permanent pigment in verf, papier, tandpasta en kunststoffen. Dit pigment is bestand tegen zonlicht en chemisch inert. Het kan later worden gemengd met chemicaliën om levendige kleuren en verf te creëren.

Dezelfde optische eigenschappen verklaren waarom het ook in zonnebrandcrèmes wordt gebruikt, dankzij het vermogen om UV-straling te reflecteren en te absorberen.

Bron: Chemours

Een ander voorbeeld van de opmerkelijke optische eigenschappen van titanium zijn perovskieten, een natuurlijk voorkomend type kristal gemaakt van calcium- en titaandioxide (CaTiO3). Perovskietzonnecellen, ook vaak thin‑film zonnecellen genoemd, kunnen worden geïnstalleerd in combinatie met silicium of als een zelfstandige zonnecel.

Bron: Department Of Energy

Daarom zoeken wetenschappers naar manieren om titanium nog meer te laten reageren op zonlicht en andere lichtbronnen.

Onderzoekers van de University of Science and Technology of China en de Chinese Academy of Sciences hebben een nieuwe manier ontdekt om titaniumdioxide nanorodarrays (TiO₂-NA) te laten groeien en hebben hun toepassing in high‑performance zonnecellen aangetoond.

Ze publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Small Methods¹, onder de titel “Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”.

Metalen Nanorods

Als het gaat om chemische of optische reacties, is het daadwerkelijke oppervlak van een metalen oppervlak belangrijk. Als het glad is, zal het ongeveer de grootte van het materiaal hebben zoals je met het blote oog ziet.

Maar als het meer complexe microstructuren heeft, kan het tientallen of honderden keren meer contactoppervlak hebben, waardoor de efficiëntie en snelheid van de gewenste reactie toenemen.

Voorbeeld hiervan is hoe onderzoekers gebruiken nikkelnanorods om waterstofproductie te katalyseren zonder edelmetalen zoals platina.

Dezelfde methode kan worden gebruikt om titaniumnanorods te maken, die nauwelijks een paar nanometer in diameter meten.

Bron: ResearchGate

Het is bekend dat enkelkristallijne TiO₂-nanorods uitblinken in het opvangen van licht en het geleiden van lading, waardoor ze ideaal zijn voor zonnecellen, fotokatalysatoren en sensoren.

Echter, traditionele fabricagemethoden hebben moeite om alle parameters tegelijk te beheersen, zoals rod-dichtheid, diameter en lengte. Tenminste tot nu toe.

Hoe gecontroleerde nanorodgroei wordt bereikt

De onderzoekers verbeterden een fase waarin de film wordt onderworpen aan hydrothermale behandeling, waarbij de nanodeeltjes in situ worden omgezet in rutiel (een vorm van titaanoxide).

Bron: ResearchGate

Ze dienen als zaden voor latere nanorodgroei. Deze methode biedt een effectieve manier om de rod-dichtheid te beheersen zonder de nanorodafmetingen te wijzigen.

Bron: ResearchGate

Op deze manier slaagden de onderzoekers er voor het eerst in om een constante rod-diameter en -hoogte te produceren, zelfs terwijl het aantal rods per oppervlakte varieerde.

Bron: ResearchGate

Titaniumnanorods in de efficiëntie van volgende-generatie zonnecellen

Deze nanorods werden geïntegreerd in laagtemperatuur-gefabriceerde CuInS₂-zonnecellen (koper‑indium‑sulfide). Dit type zonnepaneel, nog in ontwikkeling, zou een mogelijke, niet-toxische alternatief kunnen zijn voor op cadmium gebaseerde halfgeleiders.

Bron: ResearchGate

De titaniumnanorods verbeterden de lichtopvang, lading scheiding en dragerverzameling van de zonnecel.

De zonnecel bereikte een energieomzettingsrendement van 10,44 %, een nieuw record voor dit type zonnecel.

Dit betekent niet dat CuInS₂-zonnecellen al klaar zijn voor commerciële toepassingen, aangezien meer gangbare siliciumcellen of zelfs perovskiet- en cadmium‑telluride‑thin‑filmcellen, allemaal met een efficiëntie hoger dan 20 %.

Het ontwerp is echter veelbelovend, omdat het massaal vervaardigd kan worden (gesynthetiseerd en verwerkt met oplossing‑gebaseerde methoden) en theoretisch even efficiënt kan zijn als siliciumcellen.

Dit type materiaal kan ook worden geïntegreerd in andere zonnecelontwerpen, als de primaire lichtabsorberende laag in een complexer ontwerp dat andere elementen bevat.

Vergelijking van zonneceltechnologieën

Investeren in zonne‑energie

First Solar is de grootste fabrikant van zonnepanelen in de VS en in het hele westelijk halfrond, met productielocaties in de VS, Maleisië en Vietnam.

Het bedrijf maakt geen gebruik van de klassieke kristallijne siliciumtechnologie, maar gebruikt in plaats daarvan haar eigen thin‑film fotovoltaïsche technologie. Gebaseerd op cadmium‑telluride zijn ze efficiënter, worden ze tegen lagere kosten geproduceerd en kunnen ze gemakkelijk massaal worden vervaardigd. Thin‑film zonnepanelen zijn bovendien duurzamer en behouden 89 % van hun oorspronkelijke prestaties na 30 jaar.

Bron: First Solar

Cadmium en telluride zijn bijproducten van de winning van andere metalen, wat betekent dat First Solar-producten een minimale impact hebben, doordat ze gebruikmaken van hulpbronnen die voorheen weinig nut hadden. Thin‑film panelen kunnen ook een hoge recycleerbaarheid hebben.

First Solar’s technologische voorsprong, gecombineerd met haar geografische locatie, maakt het de waarschijnlijke begunstigde van de groeiende drang van westerse landen om hun panelen buiten China te betrekken.

Het bedrijf schaalt haar productiecapaciteit snel op, met als doel een naamplaatcapaciteit van 25 GW te bereiken tegen 2026, vanaf de huidige 11 GW.

Hoewel het zich momenteel richt op de productie van de meer volwassen cadmium‑telluride zonnepanelen, onderzoekt First Solar andere thin‑film technologieën zodra ze klaar zijn voor productie op commerciële schaal.

Het merkte in haar investeerderspresentatie op dat perovskiet een “ontwikkellijn moet hebben die klaar is om technologische monsters van perovskiet te produceren, waarbij productie‑achtige omstandigheden worden gesimuleerd”.

First Solar heeft sinds haar oprichting cumulatief $2 miljard aan R&D besteed.

Al met al is First Solar een technologische leider die zal profiteren van tarieven op Chinese importen, iets dat waarschijnlijk de negatieve impact op de zonne‑industrie door de herverkiezing van Trump zal compenseren.

Hoewel het tot nu toe vooral gericht is op thin‑film zonne‑energie met cadmium‑telluride, kan haar expertise in niet‑silicium zonnepaneelfabricage haar een aanzienlijk voorsprong geven met perovskiet of andere op titanium gebaseerde zonnepanelen, vooral gezien haar nauwe banden met enkele van de toponderzoekers op dit gebied.

Laatste nieuws en ontwikkelingen over First Solar (FSLR) aandelen

Gerefereerde Studie

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Onthulling van Groei‑ en Fotovoltaïsche Principes in Dichtheid‑Controleerbare TiO2 Nanorodarrays voor Efficiënte Zonnecellen. Small Methods. 22 april 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}