L'application de la technologie ultrasonique dans les cellules solaires

L'application de la technologie ultrasonique dans les cellules solaires

La technologie ultrasonique joue un rôle de plus en plus important dans la fabrication, le traitement et l’amélioration des performances des cellules solaires. Il utilise principalement les températures extrêmes localisées, les pressions, les ondes de choc et les microjets générés par la cavitation ultrasonique (la formation rapide et l'effondrement violent de minuscules bulles dans un liquide) pour améliorer les propriétés et le traitement des matériaux.

Voici les principales applications de la technologie ultrasonique dans le domaine des cellules solaires :

1. Préparation et traitement des matériaux

* Dispersion de nanomatériaux : dans la fabrication de cellules solaires à pérovskite, de cellules solaires à points quantiques ou de boues utilisant des nanoparticules, les ultrasons sont un outil clé pour disperser les nanoparticules (telles que les nanotubes de carbone, le graphène et les nanoparticules métalliques). Il brise efficacement les agglomérats, formant une suspension uniforme et stable, améliorant ainsi la conductivité et l'uniformité des électrodes.

* Traitement des solutions de précurseurs de pérovskite : le traitement par ultrasons des solutions de précurseurs de pérovskite peut favoriser la dissolution complète de matériaux tels que l'iodure de plomb, réduire les noyaux cristallins dans la solution et ainsi obtenir des films de pérovskite plus uniformes avec une cristallinité plus élevée lors de la formation ultérieure du film.

2. Processus de dépôt de couches minces et de formation de films

* Pyrolyse par pulvérisation ultrasonique : Il s'agit d'une technique de dépôt de couches minces. Les ondes ultrasoniques atomisent la solution précurseur en gouttelettes extrêmement petites et uniformes, qui sont ensuite pulvérisées sur un substrat chauffé pour former instantanément un film mince. Cette méthode peut être utilisée pour déposer des films d'oxyde conducteurs transparents (tels que l'oxyde de zinc et l'oxyde d'étain) ou des films de pérovskite, offrant des avantages tels qu'une utilisation élevée des matériaux, une bonne uniformité du film et une aptitude à la fabrication sur de grandes surfaces.

Cristallisation assistée : L'application d'ultrasons pendant le processus de cristallisation des films de pérovskite peut réguler la cinétique de cristallisation. L'effet de cavitation et l'énergie de vibration des ultrasons favorisent la nucléation des cristaux et inhibent la croissance des dendrites, ce qui entraîne des grains plus gros, moins de défauts et des films polycristallins de pérovskite plus denses, améliorant considérablement l'efficacité et la stabilité du dispositif.

3. Pulvérisation de film de batterie

Principe de fonctionnement : le noyau se trouve dans la buse d'atomisation ultrasonique. Il contient un transducteur piézoélectrique qui génère des vibrations mécaniques haute fréquence lorsqu'un signal électrique haute fréquence (généralement > 20 kHz) est appliqué.

Atomisation : lorsque la solution précurseur (telle qu'une solution précurseur de pérovskite, un sol d'oxyde conducteur transparent, etc.) s'écoule à travers la pointe de la buse vibrante, elle est déchirée en gouttelettes extrêmement petites (à l'échelle micrométrique) et très uniformes, formant un « brouillard ». Dépôt : ce « brouillard », transporté par un gaz porteur (tel que l'azote), est dirigé vers la surface chauffée du substrat.

Formation du film : lors de l'impact avec le substrat chaud, les gouttelettes s'évaporent instantanément et le soluté se dépose, formant progressivement un film mince uniforme et dense.

La pulvérisation ultrasonique est particulièrement adaptée aux nouvelles technologies de cellules solaires avec des exigences élevées en matière d'uniformité du film, d'utilisation des matériaux et de traitement à basse température.

3.1. Cellules solaires pérovskites

Il s’agit du domaine d’application le plus perturbateur de la pulvérisation par ultrasons.

Formation uniforme d’un film sur une grande surface : La qualité (uniformité, cristallinité) du film de pérovskite détermine directement l’efficacité de la cellule. La pulvérisation par ultrasons peut former directement un film humide précurseur de haute qualité sur le substrat en une seule étape, simplifiant considérablement le processus de revêtement par centrifugation traditionnel (inadapté à la production sur de grandes surfaces).

Production à haut débit et rouleau à rouleau : les buses peuvent être disposées de manière linéaire pour une pulvérisation continue sur des substrats flexibles en mouvement (tels que des feuilles d'acier inoxydable, PET/PEN), parfaitement compatibles avec la production à grande échelle rouleau à rouleau, et constituent l'une des voies technologiques clés pour la production commerciale de masse de pérovskite.

Utilisation élevée des matériaux : le revêtement par centrifugation traditionnel gaspille plus de 95 % du matériau, tandis que la pulvérisation par ultrasons, étant un processus de dépôt directionnel, atteint un taux d'utilisation du matériau de plus de 90 %, réduisant considérablement le coût des produits chimiques coûteux (tels que le FAI et le PbI₂).

Fabrication de structures multicouches : elle peut être utilisée non seulement pour pulvériser des couches de pérovskite absorbant la lumière, mais également des couches de transport d'électrons (telles que SnO₂) et des couches de transport de trous, permettant un processus de pulvérisation complet.

3.2. Électrodes conductrices transparentes : utilisées pour pulvériser des films minces d'oxyde conducteur transparent, tels que l'AZO (oxyde de zinc dopé à l'aluminium) et l'ITO. Comparée à la pulvérisation sous vide coûteuse, la pulvérisation par ultrasons est une alternative peu coûteuse à pression atmosphérique.

3.3. Autres batteries à couches minces : Cellules solaires à couches minces CIGS/CZTS : Peuvent être utilisées pour pulvériser des solutions précurseurs ou des encres nanoparticulaires.

Cellules solaires sensibilisées aux colorants : utilisées pour pulvériser des couches de structure poreuse de TiO₂ ou des couches de catalyseur de contre-électrode.

4. Soudage et interconnexion : Soudage par ultrasons :

Utilisé dans l'encapsulation de modules pour connecter des barres omnibus métalliques entre les cellules solaires. Il s'agit d'une technologie de soudage à l'état solide à basse température qui utilise le frottement par vibration à haute fréquence pour générer de la chaleur pour la connexion, évitant ainsi les dommages thermiques potentiels aux cellules solaires dus à des températures élevées. Il est particulièrement adapté aux fines tranches de silicium sensibles à la température ou aux nouvelles cellules solaires.

Résumé des avantages :

**Effet non dominé par la chaleur :** De nombreux processus peuvent être effectués à température ambiante ou à basse température, réduisant ainsi le stress thermique.

**Haute efficacité et uniformité :** Les effets de cavitation permettent un mélange intense, une dispersion et des réactions accélérées à l'échelle microscopique.

**Vert et respectueux de l'environnement :** Réduit généralement l'utilisation de produits chimiques dangereux ou raccourcit le temps de traitement.

**Large applicabilité :** Les applications potentielles vont du photovoltaïque à base de silicium aux pérovskites émergents et au photovoltaïque organique.

À mesure que la technologie des cellules solaires évolue vers une efficacité plus élevée, des coûts inférieurs et une plus grande flexibilité, la technologie ultrasonique, en tant qu'outil d'amélioration des processus hautement efficace et écologique, verra ses applications s'approfondir. En particulier dans la fabrication d'impression à grande échelle de cellules solaires à pérovskite, le processus à basse température de cellules à hétérojonction en silicium et la fabrication de dispositifs flexibles, la technologie ultrasonique devrait devenir l'une des technologies clés pour améliorer les performances et réduire les coûts de fabrication.

article	Méthodes traditionnelles	technologie de pulvérisation par ultrasons
Uniformité du revêtement	Moyenne, sujette à la peau d'orange et aux gouttes	Excellent contrôle de précision au niveau nanométrique.
Taux d'utilisation des matériaux	Faible (30%-60%)	Élevé (>90 %)
Impact sur la pièce	Peut causer des dommages dus à une pression élevée ou à un impact de liquide.	Sans contact, doux et non dommageable.
Couverture de formes complexes	Pauvre, de nombreux angles morts	Excellente, bonne conservation de la forme
Contrôlabilité du processus	Faible	Contrôle de programmation numérique extrêmement élevé
Épaisseur du revêtement	Plus épais, plus difficile à contrôler	Ultra fin, avec une précision jusqu'au niveau submicronique

V. Applications et perspectives d'avenir

Applications actuelles : principalement utilisé dans la fabrication d'endoscopes haut de gamme tels que les duodénoscopes, les bronchoscopes et les coloscopes jetables, ainsi que dans la remise à neuf et la réparation d'endoscopes réutilisables.

Tendances futures :

Revêtements composites multifonctionnels : plusieurs couches de revêtements ayant des fonctions différentes sont pulvérisées séquentiellement sur la même surface (par exemple, un revêtement antireflet suivi d'un revêtement hydrophobe).

Intelligentisation et intégration de l'IA : utiliser la vision industrielle pour identifier automatiquement la zone de pulvérisation et optimiser le chemin et les paramètres de pulvérisation grâce à des algorithmes d'IA.

Développement de nouveaux matériaux : tels que des revêtements « auto-cicatrisants » qui réparent automatiquement les rayures mineures ; ou des revêtements chargés de médicaments qui libèrent des médicaments thérapeutiques pendant l'examen.

En conclusion, la technologie de pulvérisation ultrasonique pour les endoscopes à semi-conducteurs est l’un des processus de fabrication clés garantissant les hautes performances, la haute fiabilité et la sécurité des endoscopes médicaux de précision modernes, et constitue un joyau de la fabrication de dispositifs médicaux haut de gamme.