L'applicazione della tecnologia ad ultrasuoni nelle celle solari

L'applicazione della tecnologia ad ultrasuoni nelle celle solari

La tecnologia ad ultrasuoni svolge un ruolo sempre più importante nella fabbricazione, lavorazione e miglioramento delle prestazioni delle celle solari. Utilizza principalmente temperature estreme localizzate, pressioni, onde d'urto e microgetti generati dalla cavitazione ultrasonica (la rapida formazione e il violento collasso di minuscole bolle in un liquido) per migliorare le proprietà e la lavorazione del materiale.

Di seguito le principali applicazioni della tecnologia ad ultrasuoni nel campo delle celle solari:

1. Preparazione e lavorazione del materiale

* Dispersione di nanomateriali: nella fabbricazione di celle solari a perovskite, celle solari a punti quantici o fanghi che utilizzano nanoparticelle, gli ultrasuoni sono uno strumento chiave per disperdere le nanoparticelle (come nanotubi di carbonio, grafene e nanoparticelle metalliche). Rompe efficacemente gli agglomerati, formando un impasto uniforme e stabile, migliorando così la conduttività e l'uniformità degli elettrodi.

* Trattamento della soluzione precursore della perovskite: il trattamento ad ultrasuoni delle soluzioni precursori della perovskite può favorire la completa dissoluzione di materiali come lo ioduro di piombo, ridurre i nuclei cristallini nella soluzione e quindi ottenere pellicole di perovskite più uniformi con maggiore cristallinità durante la successiva formazione della pellicola.

2. Processo di deposizione e formazione del film sottile

* Pirolisi a spruzzo ad ultrasuoni: questa è una tecnica di deposizione di film sottile. Le onde ultrasoniche atomizzano la soluzione precursore in goccioline estremamente piccole e uniformi, che vengono poi spruzzate su un substrato riscaldato per formare istantaneamente una pellicola sottile. Questo metodo può essere utilizzato per depositare pellicole di ossido conduttivo trasparente (come ossido di zinco e ossido di stagno) o pellicole di perovskite, offrendo vantaggi come un elevato utilizzo del materiale, una buona uniformità della pellicola e l'idoneità alla fabbricazione su grandi aree.

Cristallizzazione assistita: l'applicazione di ultrasuoni durante il processo di cristallizzazione dei film di perovskite può regolare la cinetica di cristallizzazione. L'effetto di cavitazione e l'energia di vibrazione degli ultrasuoni promuovono la nucleazione dei cristalli e inibiscono la crescita dei dendriti, determinando grani più grandi, meno difetti e film policristallini di perovskite più densi, migliorando significativamente l'efficienza e la stabilità del dispositivo.

3. Spruzzatura della pellicola della batteria

Principio di funzionamento: il nucleo si trova nell'ugello nebulizzatore ad ultrasuoni. Contiene un trasduttore piezoelettrico che genera vibrazioni meccaniche ad alta frequenza quando viene applicato un segnale elettrico ad alta frequenza (tipicamente >20 kHz).

Atomizzazione: quando la soluzione del precursore (come la soluzione del precursore della perovskite, il sol di ossido conduttivo trasparente, ecc.) scorre attraverso la punta dell'ugello vibrante, viene divisa in goccioline estremamente piccole (su scala micrometrica) e altamente uniformi, formando una 'nebbia'. Deposizione: questa 'nebbia', trasportata da un gas vettore (come l'azoto), viene diretta alla superficie riscaldata del substrato.

Formazione del film: All'impatto con il substrato caldo, le goccioline evaporano istantaneamente e il soluto si deposita formando gradualmente un film sottile, uniforme e denso.

La spruzzatura ad ultrasuoni è particolarmente adatta per nuove tecnologie di celle solari con elevati requisiti di uniformità della pellicola, utilizzo del materiale e lavorazione a bassa temperatura

3.1. Celle solari alla perovskite

Questa è l'area di applicazione più dirompente della spruzzatura ad ultrasuoni.

Formazione uniforme di una pellicola su vasta area: la qualità (uniformità, cristallinità) della pellicola di perovskite determina direttamente l'efficienza della cella. La spruzzatura ad ultrasuoni può formare direttamente una pellicola bagnata di precursore di alta qualità sul substrato in un unico passaggio, semplificando notevolmente il processo del tradizionale rivestimento a rotazione (non adatto per la produzione su grandi aree).

Produzione ad alta produttività e roll-to-roll: gli ugelli possono essere disposti linearmente per la spruzzatura continua su substrati flessibili in movimento (come fogli di acciaio inossidabile, PET/PEN), perfettamente compatibili con la produzione roll-to-roll su larga scala e rappresenta uno dei percorsi tecnologici chiave per la produzione commerciale di massa di perovskite.

Elevato utilizzo del materiale: il tradizionale rivestimento a rotazione spreca oltre il 95% del materiale, mentre la spruzzatura a ultrasuoni, essendo un processo di deposizione direzionale, raggiunge un tasso di utilizzo del materiale superiore al 90%, riducendo significativamente il costo di prodotti chimici costosi (come FAI e PbI₂).

Fabbricazione di strutture multistrato: può essere utilizzato non solo per spruzzare strati di perovskite che assorbono la luce, ma anche strati di trasporto di elettroni (come SnO₂) e strati di trasporto di lacune, consentendo un processo di spruzzatura completo.

3.2. Elettrodi conduttivi trasparenti: utilizzati per spruzzare film sottili di ossido conduttivo trasparente, come AZO (ossido di zinco drogato con alluminio) e ITO. Rispetto al costoso sputtering sotto vuoto, la spruzzatura ad ultrasuoni è un'alternativa economica a pressione atmosferica.

3.3. Altre batterie a film sottile: celle solari a film sottile CIGS/CZTS: possono essere utilizzate per spruzzare soluzioni precursori o inchiostri a nanoparticelle.

Celle solari sensibilizzate con colorante: utilizzate per spruzzare strati di struttura porosa di TiO₂ o strati di catalizzatore di controelettrodi.

4. Saldatura e interconnessione: Saldatura ad ultrasuoni:

Utilizzato nell'incapsulamento dei moduli per collegare le sbarre metalliche tra le celle solari. Si tratta di una tecnologia di saldatura a stato solido a bassa temperatura che utilizza l'attrito delle vibrazioni ad alta frequenza per generare calore per la connessione, evitando potenziali danni termici alle celle solari dovuti alle alte temperature. È particolarmente adatto per wafer di silicio sottili sensibili alla temperatura o nuove celle solari.

Riepilogo dei vantaggi:

**Non dominato dall'effetto termico:** molti processi possono essere eseguiti a temperatura ambiente o a basse temperature, riducendo lo stress termico.

**Alta efficienza e uniformità:** Gli effetti di cavitazione consentono miscelazione intensa, dispersione e reazioni accelerate su microscala.

**Ecologico e rispettoso dell'ambiente:** in genere riduce l'uso di sostanze chimiche pericolose o accorcia i tempi di lavorazione.

**Ampia applicabilità:** le potenziali applicazioni spaziano dalla perovskite emergente al fotovoltaico organico, a base di silicio.

Man mano che la tecnologia delle celle solari si sviluppa verso una maggiore efficienza, costi inferiori e maggiore flessibilità, la tecnologia a ultrasuoni, in quanto strumento di miglioramento dei processi altamente efficiente ed ecologico, vedrà le sue applicazioni approfondire. Soprattutto nella fabbricazione tramite stampa su larga scala di celle solari in perovskite, nel processo a bassa temperatura di celle a eterogiunzione in silicio e nella produzione di dispositivi flessibili, si prevede che la tecnologia a ultrasuoni diventerà una delle tecnologie chiave per migliorare le prestazioni e ridurre i costi di produzione.

articolo	Metodi tradizionali	tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni
Uniformità del rivestimento	Medio, tendente alla buccia d'arancia e alla colatura	Eccellente controllo di precisione a livello nanometrico.
Tasso di utilizzo del materiale	Basso (30%-60%)	Alto (>90%)
Impatto sul pezzo	Potrebbe causare danni a causa dell'alta pressione o dell'impatto di liquidi.	Senza contatto, delicato e non dannoso.
Copertura di forme complesse	Povero, molti punti ciechi	Eccellente, buon mantenimento della forma
Controllabilità del processo	Basso	Controllo della programmazione digitale estremamente elevato
Spessore del rivestimento	Più spesso, più difficile da controllare	Ultrasottile, con precisione fino al livello submicronico

V. Applicazioni e prospettive future

Applicazioni attuali: utilizzato principalmente nella produzione di endoscopi di fascia alta come duodenoscopi monouso, broncoscopi e colonscopi, nonché nella rigenerazione e riparazione di endoscopi riutilizzabili.

Tendenze future:

Rivestimenti compositi multifunzionali: più strati di rivestimenti con funzioni diverse vengono spruzzati in sequenza sulla stessa superficie (ad esempio, rivestimento antiriflesso seguito da rivestimento idrofobo).

Intelligentizzazione e integrazione AI: utilizzo della visione artificiale per identificare automaticamente l'area di irrorazione e ottimizzare il percorso e i parametri di irrorazione tramite algoritmi AI.

Sviluppo di nuovi materiali: come rivestimenti 'autoriparanti' che riparano automaticamente piccoli graffi; o rivestimenti caricati di farmaci che rilasciano farmaci terapeutici durante l'esame.

In conclusione, la tecnologia di spruzzatura a ultrasuoni per endoscopi a semiconduttore è uno dei processi di produzione chiave che garantisce prestazioni elevate, alta affidabilità e sicurezza dei moderni endoscopi medici di precisione ed è un gioiello nella corona della produzione di dispositivi medici di fascia alta.