Ученые смогли наблюдать формирование контактов солнечных батарей
Серебряные электрические контакты сегодня используются примерно в 90% модулей фотоэлектрических панелей, представленных на рынке. Найти дешёвую альтернативу серебру, не требующую применения токсичного свинца в процессе производства, должно помочь исследование, выполненное коллективами двух национальных лабораторий Министерства энергетики США (DOE).
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые рассказали об экспериментах по наблюдению за формированием таких контактов с помощью рентгеновских лучей.
«Индустрии желательно полностью отказаться от использования в этом процессе как серебра, так и свинца, — сообщил Майк Тони (Mike Toney), сотрудник Национальной Лаборатории ускорителя SLAC, один из авторов статьи. — Одной из задач этого исследования было выяснить, как формируются такие контакты, и использовать это знание для поиска путей устранения серебра и свинца».
При изготовлении контактов, на поверхность солнечной батареи печатным способом наносится паста, состоящая из частиц серебра, стекла и окиси свинца. Далее, панель на ленте конвейера проходит сквозь печь, где менее, чем за минуту нагревается до 800 °C. На выходе из печи, после охлаждения, напечатанные пастой линии становятся металлическими контактами.
«Хотя это процесс известен уже давно, до сих пор не было возможности увидеть, как формируются контакты — это происходит слишком быстро, — отметил Тони. — На протяжении многих лет не утихают споры учёных о том, как протекает эта реакция».
Исследователи из SLAC и NREL (National Renewable Energy Laboratory) сконструировали упрощённый вариант промышленной печи прямо в лаборатории источника синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource). Это позволило отслеживать изменения химии контактов с помощью рентгеновских лучей непосредственно в процессе производства.
Полученные результаты показывают, что оксид свинца играет ключевую роль в формировании контакта: он устраняет антирефлективное покрытие солнечного элемента, что даёт возможность серебру проходить к поверхности кремния, скапливаться там в углублениях и застывать. В окончательном виде контакт состоит из спёкшихся капелек серебра, из мельчайших серебряных частиц в слое стекла и из твёрдого серебра на поверхности кремния. Все эти три типа необходимы для эффективного функционирования контакта.
«Не могу с уверенностью сказать, что это полная картина, но, по крайней мере, впервые мы получили какое-то представление о том, что там происходит, — заявил Майкель ван Гест (Maikel van Hest), специалист в области материаловедения, возглавлявший работу. — До сих пор мы могли наблюдать контакт только до и после теплообработки; в промежутке все происходило как в чёрном ящике».
Созданная методология, по его мнению, будет иметь большое значение для индустрии солнечной энергетики и для фундаментальных исследований.
Проект осуществлялся в рамках инициативы DOE SunShot, цель которой — сделать солнечную электроэнергию способной конкурировать по ценовой эффективности с другими видами электричества к концу десятилетия.