Производство фотоэлементов методом струйной печати

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

Производство солнечных элементов (фотоэлементов) посредством струйной печати — это несложный, недорогой метод покрытия поверхности полупроводниковым материалом и электродами с использованием струйного принтера.

Данный подход разрабатывается различными институтами, включая университет Нового Южного Уэльса (University of New South Wales)[1][2], государственный университет Орегона (Oregon State University)[3] и Массачусетский технологический институт (Massachusetts Institute of Technology)[4].

Струйная печать — один из новейших и наиболее экспериментальных методов, который используется для производства солнечных элементов, и играет потенциально огромную роль в производстве общедоступных солнечных панелей. Основной принцип струйной печати — использование ряда сопел для бесконтактной передачи чернил (материалов) непосредственно на бумагу или другую поверхность (при этом, не касаясь её). Что позволяет не только осуществлять печать на различных поверхностях, но также и на различных материалах[5].

История

Первый случай, связанный с «печатной электроникой», относится к 1903 году, когда Альберт Хансон подал патент на печатный провод. В дальнейшем, радио продвинуло промышленность печатной электроники вперед. До недавнего времени струйные принтеры не использовались в области печатной электроники. Данная отрасль стала двигаться по направлению к струйной печати в связи с её низкой стоимостью и гибкостью использования[6]. Один из примеров такого использования — солнечный элемент, произведённый методом струйной печати. Первый пример такого производства относится к компании Konarka (Массачусетс, США), 2008 год[7]. В 2011 году исследователям из государственного университета Орегона удалось обнаружить способ создания CIGS (CuInGaSe — copper indium gallium selenide или селенид меди-индия-галлия) солнечного элемента с использованием струйного принтера. В том же году в Массачусетском технологическом институте смогли создать фотоэлемент, используя струйную печать на бумаге. Такое использование струйной печати для производства солнечных элементов ново и все ещё исследуется[8].

Принцип производства

а) структура солнечного элемента, произведённого методом струйной печати; б) схема энергетического уровня его компонентов

В целом, солнечные элементы производятся посредством наложения полупроводникового материала и электродов на какую-либо поверхность при помощи струйного принтера[9]. Как органические, так и неорганические солнечные элементы могут быть произведены методом струйной печати. Органические солнечные элементы, напечатанные струйным принтером, в основном представляют собой CIGS солнечные элементы. Как правило, краски состоят из смесей солей металлов (CIGS) в случае неорганического солнечного элемента. CIGS особенно хорошо подходит для формирования тонкоплёночных солнечных элементов, так как он поглощает свет сильнее, чем традиционный полупроводник, который широко применим в компьютерном производстве — кремний[10]. Так, CIGS слоем в 1-2 мкм толщиной способен практически так же эффективно поглощать энергию фотонов, как 50-микрометровый слой кремния[11].

В случае органического элемента краска — это смесь полимера с фуллереном. Далее краска переносится на различные поверхности. Именно данные материалы создают электроэнергию при помощи солнечных лучей. В большинстве случаев далее происходит осаждение нескольких слоев других материалов, или же элемент проходит другие процессы с целью завершения обработки. Весь процесс осуществляется при атмосферном давлении; температуры могут достигать до 500 °С. Важными факторами, которые необходимо учитывать для получения высокой эффективности печатных элементов, являются: время латентности струйной печати; температура печатного стола; эффект химических свойств донора полимера[12][13][14].

Преимущества

Основное преимущества изготовления солнечных элементов посредством струйной печати — низкая стоимость производства, что связано с отсутствием необходимости в вакууме, что делает оборудование дешевле. Также, смесь солей металлов, которые используются для красок, снижает стоимость солнечных элементов. В сравнении с такими методами как, например, осаждение из газовой фазы (англ. Vapor phase deposition), метод струйной печати производит небольшое количество отходов материалов. Это связано с тем, что принтер способен создавать очень точную структуру. Некоторые солнечные элементы, напечатанные струйным принтером, используют CIGS материал, производительность солнечной эффективности которого выше по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными панелями. Использование CIGS делает такой фактор, как небольшое количество отходов, ещё важнее, в виду редкости некоторых материалов. Более того, данный метод экологически чистый, так как он не требует применения ядовитых химикатов для производства солнечных элементов, как в случае с другими методами[8][14].

Недостатки

Эффективность напечатанных струйной печатью солнечных элементов слишком мала, чтобы им стать коммерчески жизнеспособными. Даже в случае увеличения эффективности, используемые материалы могут быть проблемой. Индий — редкий материал, который может исчезнуть в течение следующих 15 лет, в связи с тем, как он используется в настоящее время. Другая проблема — это производство атмосферостойких красок, которые способны пережить суровые условия[15][16].

Возможности

В традиционных солнечных элементах поверхность, на которой находится фотоэлектрический материал, в целом стоит больше, чем сам материал. При помощи струйной печати стало возможным печатать солнечные элементы на бумаге, что позволит солнечным элементам стать намного дешевле и даст возможность располагать их практически где угодно. С наличием бумажных солнечных элементов будет возможно размещать их на шторах, окнах, жалюзи и практически в любой точке дома. Это очень перспективно и может стать будущим солнечной энергии[17].

Примечания

  1. ↑ Smith, Deborah (2008-08-20). «Thinking outside the square finds light in oven». The Sydney Morning Herald. Retrieved 2008-08-23.
  2. ↑ Alison J. Lennon, Roland Y. Utama et al., Forming openings to semiconductor layers of silicon solar cells by inkjet printing, Solar Energy Materials and Solar Cells, https://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2008.05.018
  3. ↑ «BBC News — Scientists use inkjet printing to produce solar cells» Архивная копия от 5 февраля 2016 на Wayback Machine (англ.).bbc.co.uk. 2012. Retrieved 20 February 2012.
  4. ↑ Chandler, David L. (2012). «While you’re up, print me a solar cell — MIT News Office» Архивная копия от 2 декабря 2014 на Wayback Machine (англ.). web.mit.edu. Retrieved 20 February 2012.
  5. ↑ Tina E. Rardin, Renmei Xu. «Printing Processes Used to Manufacture Photovoltaic Solar Cells», The journal of technology studies, Volume 37, N. 2, Fall 2011. Retrieved 21 November 2014.
  6. ↑ Savastano, David. «Inkjet is Making Gains in Printed Electronics» Архивная копия от 30 октября 2012 на Wayback Machine (англ.). Printed Electronics Now. Retrieved 16 February 2013.
  7. ↑ «Konarka Announces First-Ever Demonstration of Inkjet Printed Solar Cells» (недоступная ссылка) (англ.). Konarka. Retrieved 16 February 2013.
  8. ↑ 8,0 8,1 «INKJET PRINTING COULD CHANGE THE FACE OF SOLAR ENERGY INDUSTRY» Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine (англ.). Oregon State University. Retrieved 25 February 2013.
  9. ↑ Lampert, C.M. (November 2008). «Forming openings to semiconductor layers of silicon solar cells by inkjet printing» Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine (англ.). Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (11): 1410.[doi:10.1016/j.solmat.2008.05.018]. Retrieved 4 February 2013.
  10. ↑ Paige Brown Jarreau. «Solar cells as easy as inkjet printing». 1 February 2012. [www.scilogs.com] Retrieved 21 November 2014.
  11. ↑ Darren Quick. "Researches cut waste and lower cost of ‘CIGS’ solar cells using inkjet printing technology, June 28, 2011. [www.gizmag.com]. Retrieved 21 November 2014.
  12. ↑ Hoth, Claudia; Pavel Schilinsky; Stelios A. Choulis; Christoph J. Brabec (August 7, 2008). «Printing Highly Efficient Organic Solar Cells» (англ.). Nano Letters 8: 2806—2813. [doi:10.1021/nl801365k]. Retrieved 4 February 2013.
  13. ↑ Aernouts, T (25 January 2008). «Polymer based organic solar cells using ink-jet printed active layers». Applied Physics Letters. ORGANIC ELECTRONICS AND PHOTONICS 92 (3). [doi:10.1063/1.2833185].
  14. ↑ 14,0 14,1 Wang, Wei (September 2011). «Inkjet printed chalcopyrite CuInxGa1−xSe2 thin film solar cells». Solar Energy Materials and Solar Cells 95 (9): 2616—2620. [doi:10.1016/j.solmat.2011.05.011].
  15. ↑ Rhodes, Chris. «14 % Efficiency for Thin-Film Solar Cells, but Where Will the Indium Come From?» Архивная копия от 10 октября 2016 на Wayback Machine (англ.). Forbes. Retrieved 4 February 2013.
  16. ↑ Seidman, Bianca. «Inkjet printing solar panels: cheap and almost green» Архивная копия от 16 ноября 2017 на Wayback Machine (англ.). PBS. Retrieved 4 February 2013.
  17. ↑ Chandler, David. «While you’re up, print me a solar cell» (англ.). MIT. Retrieved 4 February 2013. Архивная копия от 2 декабря 2014 на Wayback Machine
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Производство_фотоэлементов_методом_струйной_печати&oldid=11405203