Aplikace ultrazvukové technologie v solárních článcích

Aplikace ultrazvukové technologie v solárních článcích

Ultrazvuková technologie hraje stále důležitější roli při výrobě, zpracování a zvyšování výkonu solárních článků. Primárně využívá lokalizované extrémní teploty, tlaky, rázové vlny a mikrotrysky generované ultrazvukovou kavitací (rychlá tvorba a prudký kolaps drobných bublinek v kapalině) ke zlepšení vlastností materiálu a zpracování.

Níže jsou uvedeny hlavní aplikace ultrazvukové technologie v oblasti solárních článků:

1. Příprava a zpracování materiálu

* Nanomateriálová disperze: Při výrobě perovskitových solárních článků, kvantových teček nebo kalů pomocí nanočástic je ultrazvuk klíčovým nástrojem pro rozptylování nanočástic (jako jsou uhlíkové nanotrubice, grafen a kovové nanočástice). Účinně rozbíjí aglomeráty a vytváří stejnoměrnou a stabilní kaši, čímž zlepšuje vodivost a stejnoměrnost elektrod.

* Ošetření roztokem perovskitových prekurzorů: Ultrazvukové ošetření roztoků perovskitových prekurzorů může podpořit úplné rozpuštění materiálů, jako je jodid olovnatý, snížit krystalová jádra v roztoku, a tak získat rovnoměrnější perovskitové filmy s vyšší krystalinitou během následné tvorby filmu.

2. Nanášení tenkého filmu a proces tvorby filmu

* Ultrazvuková rozprašovací pyrolýza: Jedná se o techniku ​​nanášení tenkého filmu. Ultrazvukové vlny rozprašují prekurzorový roztok do extrémně malých a stejnoměrných kapiček, které se pak rozprašují na zahřátý substrát, aby okamžitě vytvořily tenký film. Tato metoda může být použita pro nanášení transparentních vodivých oxidových filmů (jako je oxid zinečnatý a oxid cínu) nebo perovskitových filmů, které nabízejí výhody, jako je vysoké využití materiálu, dobrá rovnoměrnost filmu a vhodnost pro velkoplošnou výrobu.

Asistovaná krystalizace: Aplikace ultrazvuku během procesu krystalizace perovskitových filmů může regulovat kinetiku krystalizace. Kavitační efekt a vibrační energie ultrazvuku podporují nukleaci krystalů a inhibují růst dendritů, což má za následek větší zrna, méně defektů a hustší perovskitové polykrystalické filmy, což výrazně zlepšuje účinnost a stabilitu zařízení.

3. Stříkání filmu baterie

Pracovní princip: Jádro leží v ultrazvukové rozprašovací trysce. Obsahuje piezoelektrický měnič, který generuje vysokofrekvenční mechanické vibrace, když je aplikován vysokofrekvenční elektrický signál (obvykle >20 kHz).

Atomizace: Když roztok prekurzoru (jako je roztok prekurzoru perovskitu, transparentní vodivý oxid sol atd.) protéká vibrační špičkou trysky, je roztrhán na extrémně malé (mikrometrické) a vysoce rovnoměrné kapičky, které tvoří 'mlhu'. Depozice: Tato 'mlha' nesená nosným plynem (jako je dusík) je směrována na zahřátý povrch substrátu.

Tvorba filmu: Po dopadu na horký substrát se kapičky okamžitě vypaří a rozpuštěná látka se usadí a postupně vytvoří jednotný a hustý tenký film.

Ultrazvukové stříkání je zvláště vhodné pro nové technologie solárních článků s vysokými požadavky na rovnoměrnost filmu, využití materiálu a nízkoteplotní zpracování

3.1. Perovskitové solární články

Toto je nejrušivější oblast použití ultrazvukového stříkání.

Jednotná tvorba velkoplošného filmu: Kvalita (stejnoměrnost, krystalinita) perovskitového filmu přímo určuje účinnost článku. Ultrazvukovým nástřikem lze přímo vytvořit vysoce kvalitní prekurzorový vlhký film na substrátu v jednom kroku, což značně zjednodušuje proces tradičního odstředivého lakování (nevhodné pro velkoplošnou výrobu).

Vysokovýkonná a Roll-to-Roll výroba: Trysky mohou být lineárně uspořádány pro kontinuální nástřik na pohyblivé flexibilní podklady (jako je nerezová fólie, PET/PEN), dokonale kompatibilní s roll-to-roll velkovýrobou a jsou jednou z klíčových technologických cest pro komerční hromadnou výrobu perovskitu.

Vysoké využití materiálu: Tradiční rotační nanášení odpadů více než 95 % materiálu, zatímco ultrazvukové stříkání, které je směrovým nanášecím procesem, dosahuje míry využití materiálu přes 90 %, což výrazně snižuje náklady na drahé chemikálie (jako jsou FAI a PbI₂).

Výroba vícevrstvé struktury: Lze jej použít nejen k nástřiku perovskitových vrstev absorbujících světlo, ale také vrstev transportujících elektrony (jako je SnO₂) a děrových transportních vrstev, což umožňuje kompletní proces stříkání.

3.2. Transparentní vodivé elektrody: Používají se pro nástřik průhledných vodivých oxidových tenkých vrstev, jako je AZO (oxid zinku dopovaný hliníkem) a ITO. Ve srovnání s drahým vakuovým naprašováním je ultrazvukové stříkání levnou alternativou při atmosférickém tlaku.

3.3. Další tenkovrstvé baterie: Tenkovrstvé solární články CIGS/CZTS: Lze použít pro rozprašování prekurzorových roztoků nebo inkoustů nanočástic.

Solární články citlivé na barvivo: Používají se pro nástřik porézních vrstev rámové konstrukce TiO₂ nebo vrstev protielektrodového katalyzátoru.

4. Svařování a propojování: Ultrazvukové svařování:

Používá se v zapouzdření modulu pro připojení kovových přípojnic mezi solárními články. Jedná se o nízkoteplotní polovodičovou technologii svařování, která využívá vysokofrekvenční vibrační tření k vytváření tepla pro spojení, čímž se zabrání potenciálnímu tepelnému poškození solárních článků vysokými teplotami. Je zvláště vhodný pro tenké křemíkové destičky citlivé na teplotu nebo nové solární články.

Shrnutí výhod:

**Dominuje netepelný efekt:** Mnoho procesů lze provádět při pokojové teplotě nebo nízkých teplotách, což snižuje tepelné namáhání.

**Vysoká účinnost a rovnoměrnost:** Kavitační efekty umožňují intenzivní míchání, disperzi a zrychlené reakce v mikroměřítku.

**Zelená a šetrná k životnímu prostředí:** Obvykle snižuje používání nebezpečných chemikálií nebo zkracuje dobu zpracování.

**Široká použitelnost:** Potenciální aplikace sahají od křemíkové po nově vznikající perovskit a organickou fotovoltaiku.

Vzhledem k tomu, že se technologie solárních článků vyvíjí směrem k vyšší účinnosti, nižším nákladům a větší flexibilitě, ultrazvuková technologie jako vysoce účinný a ekologický nástroj pro zlepšování procesů se bude prohlubovat. Zejména při výrobě perovskitových solárních článků ve velkém měřítku, nízkoteplotním procesu křemíkových heteropřechodových článků a výrobě flexibilních zařízení se očekává, že se ultrazvuková technologie stane jednou z klíčových technologií pro zlepšení výkonu a snížení výrobních nákladů.

položka	Tradiční metody	technologie ultrazvukového stříkání
Jednotnost povlaku	Průměrná, náchylná k pomerančové kůře a kapání	Vynikající přesnost na úrovni nanometrů.
Míra využití materiálu	Nízká (30%-60%)	Vysoká (>90 %)
Dopad na obrobek	Může způsobit poškození v důsledku vysokého tlaku nebo nárazu kapaliny.	Bezkontaktní, jemné a neškodí.
Komplexní tvarové pokrytí	Chudák, hodně slepých míst	Vynikající, dobré udržení tvaru
Kontrolovatelnost procesu	Nízký	Extrémně vysoká digitální programovací kontrola
Tloušťka povlaku	Tlustší, hůře ovladatelný	Ultratenký, s přesností až na submikronovou úroveň

V. Aplikace a vyhlídky do budoucna

Současné aplikace: Používá se především při výrobě špičkových endoskopů, jako jsou jednorázové duodenoskopy, bronchoskopy a kolonoskopy, stejně jako při repasování a opravách opakovaně použitelných endoskopů.

Budoucí trendy:

Multifunkční kompozitní nátěry: Na stejný povrch se postupně nastříká více vrstev nátěrů s různými funkcemi (např. antireflexní nátěr následovaný hydrofobním nátěrem).

Intelligentizace a integrace umělé inteligence: Využití strojového vidění k automatické identifikaci oblasti postřiku a optimalizace dráhy postřiku a parametrů pomocí algoritmů umělé inteligence.

Vývoj nového materiálu: Například 'samoopravitelné' povlaky, které automaticky opravují drobné škrábance; nebo potahy naplněné léčivem, které uvolňují terapeutická léčiva během vyšetření.

Závěrem lze říci, že technologie ultrazvukového nástřiku pro polovodičové endoskopy je jedním z klíčových výrobních procesů zajišťujících vysoký výkon, vysokou spolehlivost a bezpečnost moderních přesných lékařských endoskopů a je klenotem ve výrobě špičkových zdravotnických prostředků.