Dr Bachmann obecnie pracuje nad produkcją cienkich ogniw fotowoltaicznych przy użyciu zrównoważonych materiałów i drukarki 3D z dokładnością do nanometra. Na realizację swojego projektu otrzymał grant ERC Proof of Concept. Powszechnie wiadomo, że struktura powierzchni półprzewodników wpływa na wydajność ogniw, a tym samym systemu fotowoltaicznego. Dzięki drukarce 3D o wysokiej rozdzielczości, której dokładność wynosi do 0,000001 milimetra, naukowiec sprawdzi, który nowo powstały, wydrukowany półprzewodnik jest najbardziej wydajny. Proces optymalizacji jest konieczny, jeśli w sektorze OZE mają być stosowane materiały zrównoważone, czyli przyjazne środowisku i nadające się do ponownego użycia po recyklingu. 

Naukowcy badają strukturę półprzewodników

Jak zauważa uczelnia, do tej pory półprzewodniki, które są niezbędne do generowania energii w ogniwach słonecznych, są wykonywane z krzemu. Proces produkcyjny jest jednak dość nieelastyczny i kosztowny zarówno pod względem wykorzystania energii w fabrykach, jak i zasobów (krzem i inne surowce). W poszukiwaniu rozwiązań bardziej przyjaznych dla środowiska należy zwrócić uwagę na wykorzystanie trwałych materiałów, takich jak te stosowane obecnie w farbach domowych lub tuszach do rzęs. Jednak do tej pory ogniwa słoneczne produkowane przy użyciu alternatywnych materiałów i procedur przetwarzania okazały się mniej wydajne niż te wytwarzane metodami konwencjonalnymi. Powodem tego jest niedoskonała kontrola struktury powierzchni materiałów w nanoskali.

W ramach wcześniejszego projektu prof. Bachmann badał, w jaki sposób zmiana parametrów geometrycznych struktury powierzchni materiałów może zwiększyć wydajność ogniw fotowoltaicznych. Tym razem naukowiec zamierza użyć drukarki 3D o wysokiej rozdzielczości do szybkiego wytworzenia różnych prototypów, w których będzie mógł łatwo zmieniać poszczególne czynniki, aby osiągnąć najlepszy rezultat.

Jego zespół opracował nową metodę precyzyjnego druku 3D, znaną jako atomic-layer additive manufacturing, czyli ALAM. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod opartych na krzemie, gdzie kształty i struktury są wytwarzane poprzez usuwanie zbędnego materiału, nowa metoda polega na osadzaniu półprzewodnika bezpośrednio w wymaganym kształcie od samego początku. Metoda ta pozwala na zaoszczędzenie materiału i zasobów. Aby drukować precyzyjnie z dokładnością do 0,000001 milimetra, poszczególne atomy są transportowane i przyczepiane do powierzchni za pomocą specjalnie zaprojektowanych do tego celu molekuł.

Szansa na uniezależnienie od krzemu

Obecnie celem projektu jest zbadanie, w jakim stopniu procedura ta nadaje się do produkcji cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Niemiecki zespół naukowców zamierza wyprodukować różne prototypy ogniw słonecznych o różnych strukturach powierzchni i przetestować ich działanie. Potencjalne odkrycia mogą pomóc w zmniejszeniu zależności od krzemu.

- Zwykły druk 3D zrewolucjonizował proces produkcji i rozwoju prototypów w przemyśle. Technika ALAM może wywołać podobną rewolucję na poziomie nano. Dzięki niej znacznie więcej podmiotów gospodarczych będzie mogło niezależnie produkować części i urządzenia na poziomie mikro i nano - wyjaśnia profesor Bachmann.

W dobie kryzysu klimatycznego alternatywne formy pozyskiwania energii to jeden z najbardziej palących tematów, jakie są omawiane na forach publicznych. W obszarze fotowoltaiki kluczowe jest zwiększenie efektywności produkcji energii oraz uniezależnienie od surowców, których z roku na rok ubywa. Druk 3D może w pełni zrewolucjonizować sektor fotowoltaiki. Czekamy z niecierpliwością na wyniki badań.

Źródło: Uniwersytet Fryderyka Aleksandra w Erlangen-Norymberdze