Фотоэлемент методом струйной печати

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

  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» (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» (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» (англ.). Printed Electronics Now. Retrieved 16 February 2013.
  7. «Konarka Announces First-Ever Demonstration of Inkjet Printed Solar Cells» (англ.). Konarka. Retrieved 16 February 2013.
  8. 1 2 «INKJET PRINTING COULD CHANGE THE FACE OF SOLAR ENERGY INDUSTRY» (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» (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. 1 2 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?» (англ.). Forbes. Retrieved 4 February 2013.
  16. Seidman, Bianca. «Inkjet printing solar panels: cheap and almost green» (англ.). PBS. Retrieved 4 February 2013.
  17. Chandler, David. «While you’re up, print me a solar cell»(англ.). MIT. Retrieved 4 February 2013.