Aplicarea tehnologiei cu ultrasunete în celulele solare

Aplicarea tehnologiei cu ultrasunete în celulele solare

Tehnologia cu ultrasunete joacă un rol din ce în ce mai important în fabricarea, procesarea și îmbunătățirea performanței celulelor solare. Utilizează în primul rând temperaturile extreme localizate, presiunile, undele de șoc și microjeturile generate de cavitația ultrasonică (formarea rapidă și prăbușirea violentă a bulelor mici într-un lichid) pentru a îmbunătăți proprietățile și procesarea materialului.

Următoarele sunt principalele aplicații ale tehnologiei ultrasonice în domeniul celulelor solare:

1. Pregătirea și prelucrarea materialelor

* Dispersia nanomaterialelor: în fabricarea celulelor solare perovskite, a celulelor solare cu puncte cuantice sau a suspensiilor folosind nanoparticule, ultrasunetele este un instrument cheie pentru dispersarea nanoparticulelor (cum ar fi nanotuburi de carbon, grafen și nanoparticule de metal). Descompune eficient aglomeratele, formând o suspensie uniformă și stabilă, îmbunătățind astfel conductivitatea și uniformitatea electrozilor.

* Tratamentul cu soluție de precursor de perovskit: Tratamentul cu ultrasunete al soluțiilor de precursor de perovskit poate promova dizolvarea completă a materialelor precum iodura de plumb, poate reduce nucleii de cristal din soluție și, astfel, obține filme de perovskit mai uniforme cu cristalinitate mai mare în timpul formării ulterioare a peliculei.

2. Procesul de depunere și formare a filmului subțire

* Piroliza cu pulverizare cu ultrasunete: Aceasta este o tehnică de depunere a filmului subțire. Undele ultrasonice atomizează soluția precursor în picături extrem de mici și uniforme, care sunt apoi pulverizate pe un substrat încălzit pentru a forma instantaneu o peliculă subțire. Această metodă poate fi utilizată pentru a depune filme de oxid conductiv transparent (cum ar fi oxid de zinc și oxid de staniu) sau filme de perovskit, oferind avantaje precum utilizarea ridicată a materialului, uniformitatea bună a filmului și adecvarea pentru fabricarea pe suprafețe mari.

Cristalizare asistată: Aplicarea ultrasunetelor în timpul procesului de cristalizare a filmelor de perovskit poate regla cinetica de cristalizare. Efectul de cavitație și energia de vibrație a ultrasunetelor promovează nuclearea cristalului și inhibă creșterea dendritei, rezultând boabe mai mari, mai puține defecte și pelicule policristaline de perovskite mai dense, îmbunătățind semnificativ eficiența și stabilitatea dispozitivului.

3. Pulverizarea filmului bateriei

Principiul de funcționare: Miezul se află în duza de atomizare cu ultrasunete. Conține un traductor piezoelectric care generează vibrații mecanice de înaltă frecvență atunci când este aplicat un semnal electric de înaltă frecvență (de obicei >20 kHz).

Atomizare: Când soluția de precursor (cum ar fi soluția de precursor de perovskit, sol de oxid conductor transparent etc.) curge prin vârful duzei vibrante, este ruptă în picături extrem de mici (la scară micrometrică) și foarte uniforme, formând o „ceață”. Depunere: Această „ceață”, transportată de un gaz purtător (cum ar fi azotul), este direcționată către suprafața substratului încălzit.

Formarea peliculei: La impactul cu substratul fierbinte, picăturile se evaporă instantaneu, iar soluția se depune, formând treptat o peliculă subțire uniformă și densă.

Pulverizarea cu ultrasunete este potrivită în special pentru tehnologiile noi de celule solare cu cerințe ridicate pentru uniformitatea filmului, utilizarea materialului și procesarea la temperatură scăzută

3.1. Celule solare perovskite

Aceasta este zona de aplicare cea mai perturbatoare a pulverizării cu ultrasunete.

Formarea uniformă a peliculei pe suprafețe mari: calitatea (uniformitatea, cristalinitatea) peliculei de perovskit determină în mod direct eficiența celulei. Pulverizarea cu ultrasunete poate forma direct o peliculă umedă precursor de înaltă calitate pe substrat într-o singură etapă, simplificând foarte mult procesul de acoperire prin centrifugare tradițională (nepotrivită pentru producția pe suprafețe mari).

Productie mare și roll-to-roll: duzele pot fi aranjate liniar pentru pulverizare continuă pe substraturi flexibile în mișcare (cum ar fi folie de oțel inoxidabil, PET/PEN), perfect compatibile cu producția la scară largă roll-to-roll și reprezintă una dintre căile tehnologice cheie pentru producția comercială în masă a perovskitului.

Utilizare ridicată a materialului: Acoperirea prin centrifugare tradițională irosește peste 95% din material, în timp ce pulverizarea cu ultrasunete, fiind un proces de depunere direcțională, realizează o rată de utilizare a materialului de peste 90%, reducând semnificativ costul substanțelor chimice scumpe (cum ar fi FAI și PbI₂).

Fabricarea structurii multistrat: Poate fi folosit nu numai pentru a pulveriza straturi de absorbție a luminii perovskite, ci și straturi de transport de electroni (cum ar fi SnO₂) și straturi de transport ale orificiilor, permițând un proces complet de pulverizare.

3.2. Electrozi conductivi transparenți: Utilizați pentru pulverizarea unor filme subțiri de oxid conductiv transparent, cum ar fi AZO (oxid de zinc dopat cu aluminiu) și ITO. În comparație cu pulverizarea în vid scumpă, pulverizarea cu ultrasunete este o alternativă ieftină, la presiunea atmosferică.

3.3. Alte baterii cu peliculă subțire: celule solare cu peliculă subțire CIGS/CZTS: pot fi utilizate pentru pulverizarea soluțiilor precursoare sau a cernelurilor cu nanoparticule.

Celule solare sensibilizate cu colorant: utilizate pentru pulverizarea straturilor de cadru poroase TiO₂ sau a straturilor de catalizator contra electrozi.

4. Sudarea și interconectarea: Sudarea cu ultrasunete:

Folosit în încapsularea modulelor pentru conectarea barelor metalice între celulele solare. Aceasta este o tehnologie de sudare la temperatură scăzută, în stare solidă, care utilizează frecare cu vibrații de înaltă frecvență pentru a genera căldură pentru conectare, evitând potențialele daune termice ale celulelor solare din cauza temperaturilor ridicate. Este deosebit de potrivit pentru plachete subțiri de siliciu sensibile la temperatură sau celule solare noi.

Rezumatul avantajelor:

**Efect non-termic dominat:** Multe procese pot fi efectuate la temperatura camerei sau la temperaturi scăzute, reducând stresul termic.

**Eficiență și uniformitate ridicate:** Efectele de cavitație permit amestecarea intensă, dispersia și reacții accelerate la microscală.

**Verde și ecologic:** De obicei reduce utilizarea de substanțe chimice periculoase sau scurtează timpul de procesare.

**Aplicabilitate largă:** Aplicațiile potențiale variază de la pe bază de siliciu la perovskit emergent și fotovoltaic organic.

Pe măsură ce tehnologia celulelor solare se dezvoltă către o eficiență mai mare, costuri mai mici și o flexibilitate mai mare, tehnologia cu ultrasunete, ca instrument de îmbunătățire a procesului extrem de eficient și ecologic, își va aprofunda aplicațiile. În special în fabricarea de tipărire la scară largă a celulelor solare perovskite, procesul la temperatură joasă a celulelor heterojoncții de siliciu și fabricarea de dispozitive flexibile, tehnologia ultrasonică este de așteptat să devină una dintre tehnologiile cheie pentru îmbunătățirea performanței și reducerea costurilor de producție.

articol	Metode tradiționale	tehnologie de pulverizare cu ultrasunete
Uniformitatea acoperirii	Mediu, predispus la coajă de portocală și picurare	Control excelent de precizie la nivel de nanometri.
Rata de utilizare a materialului	Scăzut (30%-60%)	Ridicat (>90%)
Impact asupra piesei de prelucrat	Poate provoca daune din cauza presiunii ridicate sau a impactului lichidului.	Fără contact, blând și fără dăunătoare.
Acoperire cu forme complexe	Sărace, multe puncte moarte	Excelent, bună păstrare a formei
Controlabilitatea procesului	Scăzut	Control de programare digital extrem de ridicat
Grosimea acoperirii	Mai gros, mai greu de controlat	Ultra-subțire, cu precizie până la nivelul submicron

V. Aplicații și perspective de viitor

Aplicații curente: Folosit în principal la fabricarea de endoscoape de ultimă generație, cum ar fi duodenoscoape de unică folosință, bronhoscoape și colonoscoape, precum și la remanufacturarea și repararea endoscoapelor reutilizabile.

Tendințe viitoare:

Acoperiri compozite multifuncționale: mai multe straturi de acoperiri cu funcții diferite sunt pulverizate secvenţial pe aceeași suprafață (de exemplu, acoperire antireflex, urmată de acoperire hidrofobă).

Inteligentizare și integrare AI: Folosind viziunea artificială pentru a identifica automat zona de pulverizare și optimizarea traseului și a parametrilor de pulverizare prin algoritmi AI.

Dezvoltare de noi materiale: cum ar fi straturile de „auto-vindecare” care repară automat zgârieturile minore; sau acoperiri încărcate cu medicamente care eliberează medicamente terapeutice în timpul examinării.

În concluzie, tehnologia de pulverizare cu ultrasunete pentru endoscoapele cu semiconductor este unul dintre procesele cheie de fabricație care asigură performanța ridicată, fiabilitatea ridicată și siguranța endoscoapelor medicale moderne de precizie și este o bijuterie în coroana producției de dispozitive medicale de ultimă generație.