Titaniumnanoroder: Fremtiden for solcellepaneler

Hvordan titaniums lysreaktive egenskaper forbedrer solytelsen

Reaksjonen til noen spesifikke metaller eller elementer på lys er allerede en svært viktig del av den moderne verden. Dette gjelder åpenbart for silisium i solcellepaneler, men også for mange sensorer, elektroniske enheter og mange andre lysfølsomme apparater.

Et slikt metall er titan. Selv om mye av titans omdømme kommer fra at det er en slags «superstål», så sterkt men mye lettere og korrosjonsbestandig, er dette ikke egentlig dets hovedbruk.

Titaniumdioksid (TiO₂) bruker 95 % av den rå titanmalmen som utvinnes og brukes som et sterkt hvitt permanent pigment i maling, papir, tannkrem og plast. Dette pigmentet er motstandsdyktig mot sollys og kjemisk inert. Det kan senere blandes med kjemikalier for å skape levende farger og maling.

De samme optiske egenskapene er grunnen til at det også brukes i solkremer, takket være evnen til å reflektere og absorbere UV‑stråler.

Kilde: Chemours

Et annet eksempel på titans bemerkelsesverdige optiske egenskaper er perovskitter, en naturlig forekommende krystalltype laget av kalsium- og titanoksid (CaTiO3). Perovskittsolceller, også ofte kalt tynnfilmssolceller, kan installeres i kombinasjon med silisium eller som en frittstående solcelle.

Kilde: Department Of Energy

Dette er grunnen til at forskere ser etter måter å få titan til å reagere enda mer med sollys og andre lyskilder.

Forskere ved University of Science and Technology of China og Chinese Academy of Sciences har oppdaget en ny metode for å dyrke titaniumdioksid‑nanorod‑arrayer (TiO₂-NA) og demonstrert deres anvendelse i høyytelses solceller.

De publiserte resultatene sine i det vitenskapelige tidsskriftet Small Methods¹, under tittelen “Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”.

Metallnanoroder

Når det gjelder kjemiske eller optiske reaksjoner, er den faktiske overflaten av et metall viktig. Hvis den er glatt, vil den omtrent ha samme størrelse som materialet som sett med øynene.

Men hvis den har mer komplekse mikrostrukturer, kan den ha dusinvis eller hundrevis av ganger mer kontaktoverflate, noe som øker effektiviteten og hastigheten på den ønskede reaksjonen.

For eksempel er dette hvordan forsker bruker nikkelnanoroder til å katalysere hydrogenproduksjon uten edle metaller som platina.

Den samme metoden kan brukes til å lage titannanoroder, som kun måler noen få nanometer i diameter.

Kilde: ResearchGate

Det er kjent at enkeltkrystallinske TiO₂-nanoroder utmerker seg i å samle lys og lede ladning, noe som gjør dem ideelle for solceller, fotokatalysatorer og sensorer.

Imidlertid har tradisjonelle fremstillingsmetoder problemer med å kontrollere alle parametrene samtidig, som rodtetthet, diameter og lengde. I hvert fall frem til nå.

Hvordan kontrollert nanorod‑vekst oppnås

Forskerne forbedret et trinn hvor filmen blir utsatt for hydrotermisk behandling, der nanopartiklene omdannes in situ til rutile (en form for titaniumdioksid).

Kilde: ResearchGate

De fungerer som frø for senere nanorod‑vekst. Denne metoden gir en effektiv måte å kontrollere rodtettheten uten å endre nanorod‑dimensjonene.

Kilde: ResearchGate

På denne måten klarte forskerne for første gang å produsere konstant roddiameter og høyde, selv om antallet rør per område varierte.

Kilde: ResearchGate

Titaniumnanoroder i neste generasjons solcelleeffektivitet

Disse nanorodene ble integrert i lavtemperatur‑behandlede CuInS₂‑solceller (kobber‑indium‑sulfid). Denne typen solpanel, som fortsatt er under utvikling, kan være et mulig, ikke‑giftig alternativ til kadmium‑baserte halvledere.

Kilde: ResearchGate

Titaniumnanorodene forbedret solcellens lysfangst, ladningsseparasjon og bærerinnsamling.

Solcellen oppnådde 10,44 % effektkonverteringsgrad, en ny rekord for denne typen solcelle.

Dette betyr ikke at CuInS₂‑solceller er klare for kommersielle anvendelser, da mer vanlige silisiumceller eller, selv perovskitt‑ og kadmium‑tellurid‑tynnfilmceller, alle har en effektivitet over 20 %.

Designen er imidlertid lovende, da den kan masseproduseres (syntetiseres og behandles ved hjelp av løsningsbaserte metoder) og teoretisk sett kan være like effektiv som silisiumceller.

Denne typen materiale kan også integreres i andre solcelledesign, som det primære lysabsorberende laget i en mer kompleks design som inkluderer andre elementer.

Sammenligning av solcelleteknologier

For å bedre forstå hvor CuInS₂ + TiO₂‑nanorod‑solceller står, er her hvordan de sammenlignes med andre fremtredende typer:

Investere i solenergi

First Solar er den største produsenten av solcellepaneler i USA og i hele den vestlige halvkule, med produksjonsanlegg i USA, Malaysia og Vietnam.

Selskapet bruker ikke den klassiske krystallinske silisiumteknologien, men i stedet deres proprietære tynnfilm‑fotovoltaikk. Basert på kadmium‑tellurid er de mer effektive, produseres til lavere kostnad, og kan enkelt masseproduseres. Tynnfilm‑solpaneler er også mer holdbare, og beholder 89 % av sin opprinnelige ytelse etter 30 år.

Kilde: First Solar

Kadmium og tellurid er biprodukter fra gruvedrift av andre metaller, noe som betyr at First Solar‑produkter har minimal påvirkning, ved å bruke ressurser som tidligere hadde liten nytte. Tynnfilm‑paneler kan også ha høy resirkuleringsgrad.

First Solars teknologiske fordel, kombinert med deres geografiske plassering, gjør dem til sannsynlig mottaker av den økende oppfordringen i vestlige land om å hente paneler fra utenfor Kina.

Selskapet øker produksjonskapasiteten raskt, med mål om å nå en navnekapasitet på 25 GW innen 2026, fra dagens 11 GW.

Mens de fokuserer på å produsere de mer modne kadmium‑tellurid‑solpanelene i dag, utforsker First Solar andre tynnfilm‑teknologier etter hvert som de blir klare for kommersiell produksjon i stor skala.

Den kommenterte spesielt i sin investorpresentasjon at perovskitt bør ha en “development line readied for producing technology samples of perovskite, simulating manufacturing-like condition”.

First Solar har brukt samlet 2 milliarder dollar på FoU siden oppstarten.

Alt i alt er First Solar en teknologileder som kan dra nytte av toll på kinesiske importvarer, noe som sannsynligvis vil kompensere for den negative effekten på solenergiindustrien fra Trumps gjenvalg.

Selv om de hittil hovedsakelig har fokusert på tynnfilm‑solenergi med kadmium‑tellurid, kan deres ekspertise innen ikke‑silisium‑solpanelproduksjon gi dem et betydelig forsprang med perovskitt eller andre titan‑baserte solpaneler, spesielt med tanke på deres dype forbindelser til noen av de ledende forskerne på dette området.

Siste nyheter og utviklinger for First Solar (FSLR) aksje

Studie referert

^{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 april 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}