Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν πάστα αργύρου με βάση τη λιγνίνη βιομάζας για φωτοβολταϊκά κύτταρα HJT, η οποία μειώνει την εξάρτηση από ρητίνες με βάση το πετρέλαιο και βελτιώνει την ηλεκτρική απόδοση
Ερευνητές από το Guangdong University of Technology στην Κίνα ανέπτυξαν μια πάστα αργύρου για τη μεταλλοποίηση φωτοβολταϊκών κυττάρων, βασισμένη στη λιγνίνη βιομάζας, με στόχο τη μείωση του κόστους παραγωγής και τη βελτίωση της βιωσιμότητας της κατασκευής φωτοβολταϊκών κυττάρων, αντικαθιστώντας συμβατικά συστατικά της πάστας με ανανεώσιμα υλικά προερχόμενα από βιομάζα.
«Η βασική καινοτομία αυτής της εργασίας είναι μια διπλή στρατηγική μηχανικής της λιγνίνης – κλασματοποίηση με διαλύτη και στη συνέχεια εμβολιασμός με εποξείδωση – η οποία μετατρέπει την ανανεώσιμη λιγνίνη σε λειτουργικό συνδετικό υλικό για πάστες αργύρου που σκληραίνουν σε χαμηλή θερμοκρασία και χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου ετεροεπαφής (HJT)», δήλωσε στο pv magazine ο αντίστοιχος συγγραφέας Dong Yu Zhu.
«Η βελτιστοποιημένη εποξειδωμένη λιγνίνη (LEP) αντικαθιστά το 25% της εποξειδικής ρητίνης bisphenol F με βάση το πετρέλαιο και συμμετέχει ενεργά στη διαδικασία σκλήρυνσης και στο δίκτυο διασταύρωσης, αντί να λειτουργεί ως αδρανές πληρωτικό υλικό.
Αυτό βελτιώνει ταυτόχρονα τη ρεολογία και την εκτυπωσιμότητα της πάστας, αυξάνει τον λόγο διαστάσεων των τυπωμένων δακτύλων κατά 89,57%, μειώνει την αντίσταση επαφής κατά 62,43% και ενισχύει την πρόσφυση».
Η νέα πάστα σχεδιάστηκε ειδικά για φωτοβολταϊκά κύτταρα HJT, στα οποία οι αγώγιμες πάστες αργύρου βασίζονται συνήθως σε εποξειδικές ρητίνες για να παρέχουν μηχανική αντοχή, πρόσφυση, ευκαμψία και ανθεκτικότητα μέσω αντιδράσεων διασταύρωσης κατά τη σκλήρυνση.
Ωστόσο, οι συμβατικές εποξειδικές ρητίνες βασίζονται στο πετρέλαιο, είναι σχετικά ακριβές και είναι ευάλωτες στη γήρανση υπό παρατεταμένη έκθεση στο ηλιακό φως, εξήγησαν οι επιστήμονες.
Για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών, στράφηκαν στη λιγνίνη, η οποία προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα, μεταξύ των οποίων ισχυρή απορρόφηση της υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας, αντιοξειδωτικές ιδιότητες, θερμική σταθερότητα και αντιδραστικές λειτουργικές ομάδες.
Η ενσωμάτωσή της σε συστήματα ρητινών μπορεί επίσης να βελτιώσει τη μηχανική αντοχή, την ανθεκτικότητα και την αντίσταση στη γήρανση. «Η λιγνίνη είναι ένα άφθονο, χαμηλού κόστους, ανανεώσιμο βιοπολυμερές που προκύπτει ως παραπροϊόν των βιομηχανιών πολτοποίησης και βιοδιύλισης», πρόσθεσε ο Zhu.
Οι ερευνητές εξέτασαν δύο προσεγγίσεις για την ενσωμάτωση λιγνίνης σε πάστες αργύρου που σκληραίνουν σε χαμηλή θερμοκρασία. Η πρώτη περιλάμβανε την άμεση ανάμειξη κλασματοποιημένης αλκαλικής λιγνίνης με εποξειδική ρητίνη bisphenol F, ως μερική αντικατάσταση της ρητίνης.
Η δεύτερη περιλάμβανε τη χρήση χημικά τροποποιημένης, εποξειδωμένης λιγνίνης, η οποία συμμετείχε στο δίκτυο σκλήρυνσης της ρητίνης. Και οι δύο προσεγγίσεις είχαν ως στόχο τη βελτίωση του ιξώδους, της εκτυπωσιμότητας, της πρόσφυσης και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της πάστας και, τελικά, της απόδοσης του φωτοβολταϊκού κυττάρου.
Επιλέχθηκαν δύο τύποι λιγνίνης, η αλκαλική λιγνίνη (AL) και η λιγνίνη ενζυμικής υδρόλυσης (EHL), ενώ η AL κλασματοποιήθηκε περαιτέρω με χρήση αιθανόλης και οξικού αιθυλεστέρα.
Στη συνέχεια, η LEP συντέθηκε μέσω χημικής τροποποίησης του κλάσματος που ήταν διαλυτό στον οξικό αιθυλεστέρα με έναν παράγοντα σύζευξης σιλανίου.
Η πάστα αργύρου περιείχε τρεις τύπους σκόνης αργύρου, μαζί με ρητίνες, παράγοντες σκλήρυνσης, διασκορπιστικά και διαλύτες. Η συνολική περιεκτικότητα σε άργυρο διατηρήθηκε στο 92–93% κατά βάρος, με αναλογία αργύρου προς ρητίνη 30:1.
Εξετάστηκαν διαφορετικές συγκεντρώσεις λιγνίνης και διαφορετικά ποσοστά αντικατάστασης της ρητίνης, προκειμένου να αξιολογηθούν οι επιδράσεις τους στην απόδοση της πάστας.
Τα μείγματα ομογενοποιήθηκαν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με μύλο τριών κυλίνδρων, προτού εκτυπωθούν με μεταξοτυπία πάνω σε μονοκρυσταλλικά πλακίδια πυριτίου διαστάσεων 158,75 mm × 158,75 mm. Στη συνέχεια, τα τυπωμένα δείγματα υποβλήθηκαν σε σκλήρυνση στους 180 °C για 30 λεπτά.
Για την αξιολόγηση των χημικών, μηχανικών, μορφολογικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των παστών χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού, μεταξύ των οποίων φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), ρεομετρία, μικροσκοπία και μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης.
Στη συνέχεια, η απόδοση μετατροπής ισχύος των φωτοβολταϊκών κυττάρων HJT που προέκυψαν μετρήθηκε μέσω δοκιμών ρεύματος–τάσης.
Η ανάλυση αποκάλυψε πυκνότερη συσκευασία των σωματιδίων αργύρου, μειωμένο εσωτερικό πορώδες και βελτιωμένη επαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων αργύρου και των υποστρωμάτων πυριτίου.
Διαπιστώθηκε επίσης ότι αυτές οι δομικές βελτιώσεις ευνοούν τον σχηματισμό συνεχών αγώγιμων διαδρομών και μειώνουν τις ηλεκτρικές απώλειες.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν επίσης ότι η σύνθεση LEP αύξησε την απόδοση μετατροπής ισχύος των κυττάρων HJT από 25,01% σε 25,96%.
«Αυτό αντιπροσωπεύει απόλυτη αύξηση κατά 0,95 ποσοστιαίες μονάδες σε σχέση με το δείγμα αναφοράς, προσφέροντας μια βιώσιμη λύση βιολογικής βάσης για τη μεταλλοποίηση HJT υψηλής απόδοσης», δήλωσε ο Zhu.
«Τα ευρήματα δείχνουν ότι η ενσωμάτωση κατάλληλης ποσότητας LEP ενισχύει τις αντιδράσεις σκλήρυνσης και διασταύρωσης, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός σταθερού τρισδιάστατου δικτύου που βελτιώνει τη ρεολογία της πάστας, τη μορφολογία του τυπωμένου πλέγματος, την επαφή στη διεπιφάνεια και την ηλεκτρική αγωγιμότητα», κατέληξε.
«Αυτές οι βελτιώσεις στο σκληρυμένο πλέγμα αργύρου συμβάλλουν τελικά στη βελτίωση της φωτοβολταϊκής απόδοσης των κυττάρων HJT».
Η έρευνα παρουσιάζεται στη μελέτη «Engineered lignin unlocks low-temperature curable silver pastes for high-efficiency silicon heterojunction solar cells», η οποία δημοσιεύθηκε στο Solar Energy Materials and Solar Cells.
www.worldenergynews.gr
