В исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, эксперт по энергетике из колледжа Святой Марии штата Мэриленд профессор Трой Таунсенд представил первую полностью неорганическую фотоэлектрическую технологию на основе раствора.В то время как прогресс в области органической тонкопленочной фотогальваники быстро растет, неорганические устройства по-прежнему являются рекордсменами по наивысшей эффективности, отчасти благодаря их широкому спектральному поглощению и отличным электронным свойствам.
Учитывая зарегистрированный более высокий КПД и более низкую стоимость на ватт по сравнению с органическими устройствами, в сочетании с повышенной термической и фотостабильностью неорганических материалов в больших объемах, Таунсенд в своем исследовании 2014 года сосредоточился на полностью неорганической структуре для изготовления верха. к основанию полностью основанный на растворе фотоэлемент.Однако основным недостатком по сравнению с органическими веществами является то, что неорганические материалы трудно осаждать из раствора. Чтобы преодолеть это, Таунсенд синтезировал материалы в наномасштабе.
Неорганические нанокристаллы, заключенные в оболочку из органического лиганда, растворимы в органических растворителях и могут быть нанесены из раствора (т.е. путем центрифугирования, окунания, распыления), тогда как традиционные неорганические материалы требуют высокотемпературной вакуумной камеры. Солнечные устройства изготавливаются из чернил наноразмерных частиц светопоглощающих слоев, теллурида кадмия / селенида кадмия и металлических чернил сверху и снизу.
Таким образом, все электронное устройство может быть построено на непроводящей стеклянной подложке с использованием оборудования, которое вы можете найти на своей кухне.Выдающаяся проблема, с которой сталкиваются (3-5 нм) неорганические нанокристаллы, заключается в том, что они должны быть отожжены или нагреты для образования более крупных зерен «объемного масштаба» (от 100 нм до 1 мкм) для создания рабочих устройств. Таунсенд недавно объединился с исследователями ВМС для изучения этого процесса.«Когда вы распыляете на эти нанокристаллы, вы должны нагревать их, чтобы они заработали, — объяснил Таунсенд, — но вы не можете просто нагреть кристаллы сами по себе, вам нужно добавить спекающий агент, и это в течение последних 40 лет , был хлорид кадмия, токсичная соль, используемая в коммерческих тонкопленочных устройствах.
Никто не тестировал нетоксичные альтернативы устройствам с наноразмерными чернилами, и мы хотели изучить механизм процесса спекания, чтобы получить более безопасные соли ».В своем последнем исследовании, опубликованном в этом году в Journal of Materials Chemistry A, Таунсенд вместе с исследователями ВМС обнаружили, что хлорид аммония является нетоксичной недорогой жизнеспособной альтернативой хлориду кадмия для нанокристаллических солнечных элементов. Это открытие было сделано после тестирования нескольких различных солей.
Устройства, изготовленные с использованием хлорида аммония (который обычно используется в выпечке хлеба), имели характеристики устройства, сравнимые с устройствами, изготовленными с использованием хлорида кадмия, и отказ от обработки солями кадмия снимает опасения по поводу здоровья окружающей среды и безопасности текущих методов обработки.Команда также обнаружила, что роль солевой обработки включает в себя важные реакции удаления лиганда. Это уникально для неорганических нанокристаллов и не наблюдается для методов объемного вакуумного осаждения. «По обмену нанокристаллических лигандов было проделано много интересных работ, но мы впервые выяснили двойную роль соли как агента обмена лигандов и агента одновременного спекания.
Это важное различие для этих устройств, потому что Нанокристаллы обычно синтезируются с оболочкой из нативного органического лиганда. Эту оболочку необходимо удалить перед нагреванием, чтобы улучшить электронные свойства пленки », — сказал Таунсенд об открытии. Поскольку наноматериалы находятся на переднем крае появления новых свойств по сравнению с их объемными аналогами, исследование важно для будущего производства электронных устройств.
Исследование было проведено после июльского заявления администрации Обамы о размещении большего количества солнечных панелей на домах с низким доходом и расширении доступа к солнечной энергии для арендаторов, а также недавнего обещания ежегодно получать 20 процентов всей электроэнергии США из возобновляемых источников. 2030 г.«В настоящее время солнечные технологии недоступны для обычного человека», — сказал Таунсенд. «Моя мечта — сделать процесс сборки и установки настолько дешевым и простым, чтобы вы могли пойти в местный магазин товаров для дома и купить комплект, а затем распылить его на свою крышу.
Вот почему мы работаем над распылителем солнечные батареи." Таунсенд планирует дальнейшие исследования, чтобы повысить эффективность полностью неорганических нанокристаллических солнечных элементов (в настоящее время достигающих пяти процентов), в то же время создавая их из полностью нетоксичных компонентов.