Във фотоволтаичната индустрия перовскитът е много търсен през последните години. Причината, поради която се очертава като „фаворит“ в областта на слънчевите клетки, се дължи на неговите уникални условия. Калциево-титановата руда има много отлични фотоволтаични свойства, прост процес на приготвяне и широка гама от суровини и изобилно съдържание. В допълнение, перовскитът може да се използва и в наземни електроцентрали, авиация, строителство, носими устройства за генериране на електроенергия и много други области.
На 21 март Ningde Times подаде заявление за патент на „соларна клетка от калциев титанит и нейния метод за приготвяне и захранващо устройство“. През последните години, с подкрепата на вътрешни политики и мерки, индустрията за калциево-титанова руда, представена от слънчеви клетки от калциево-титанова руда, постигна големи крачки. И така, какво е перовскит? Как е индустриализацията на перовскита? Какви предизвикателства все още са изправени? Репортер на Science and Technology Daily интервюира съответните експерти.
Перовскитът не е нито калций, нито титан.
Така наречените перовскити не са нито калций, нито титан, а общ термин за клас „керамични оксиди“ със същата кристална структура с молекулна формула ABX3. A означава „катион с голям радиус“, B за „метален катион“ и X за „халогенен анион“. A означава „катион с голям радиус“, B означава „метален катион“, а X означава „халогенен анион“. Тези три йона могат да проявят много удивителни физически свойства чрез подреждането на различни елементи или чрез регулиране на разстоянието между тях, включително, но не само изолация, фероелектричество, антиферомагнетизъм, гигантски магнитен ефект и т.н.
„Според елементарния състав на материала, перовскитите могат грубо да се разделят на три категории: перовскити от сложни метални оксиди, органични хибридни перовскити и неорганични халогенирани перовскити.“ Luo Jingshan, професор в Училището по електронна информация и оптично инженерство на университета Nankai, представи, че калциевите титанити, които сега се използват във фотоволтаиците, обикновено са последните две.
перовскитът може да се използва в много области като наземни електроцентрали, космическо пространство, строителство и устройства за генериране на електроенергия. Сред тях фотоволтаичното поле е основната област на приложение на перовскита. Структурите от калциев титанит са много проектирани и имат много добри фотоволтаични характеристики, което е популярна изследователска посока във фотоволтаичната област през последните години.
Индустриализацията на перовскита се ускорява и местните предприятия се състезават за оформлението. Съобщава се, че първите 5000 броя модули от калциева титанова руда са изпратени от Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. също ускорява изграждането на най-голямата пилотна линия в света с мощност 150 MW изцяло ламинирана с калциева титанова руда; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. 150 MW производствена линия за фотоволтаични модули от калциево-титанова руда е завършена и пусната в експлоатация през декември 2022 г., а годишната производствена стойност може да достигне 300 милиона юана след достигане на производството.
Калциево-титановата руда има очевидни предимства във фотоволтаичната индустрия
Във фотоволтаичната индустрия перовскитът е много търсен през последните години. Причината, поради която се очертава като „фаворит“ в областта на слънчевите клетки, се дължи на собствените му уникални условия.
„Първо, перовскитът има многобройни отлични оптоелектронни свойства, като регулируема ширина на лентата, висок коефициент на поглъщане, ниска енергия на свързване на екситон, висока мобилност на носителя, висока толерантност към дефекти и др.; второ, процесът на приготвяне на перовскит е прост и може да постигне полупрозрачност, ултра-лекота, ултра-тънкост, гъвкавост и т.н. И накрая, суровините за перовскит са широко достъпни и в изобилие.“ Луо Дзиншан се представи. Приготвянето на перовскит също изисква относително ниска чистота на суровините.
Понастоящем фотоволтаичната сфера използва голям брой слънчеви клетки на базата на силиций, които могат да бъдат разделени на монокристален силиций, поликристален силиций и аморфни силициеви слънчеви клетки. Теоретичният полюс на фотоелектрично преобразуване на клетки от кристален силиций е 29,4%, а текущата лабораторна среда може да достигне максимум 26,7%, което е много близо до тавана на преобразуване; може да се предвиди, че пределната печалба от технологичното подобрение също ще става все по-малка. За разлика от това, ефективността на фотоволтаичното преобразуване на перовскитните клетки има по-висока теоретична полюсна стойност от 33%, а ако две перовскитни клетки са подредени нагоре и надолу заедно, теоретичната ефективност на преобразуване може да достигне 45%.
В допълнение към „ефективността“, друг важен фактор е „цената“. Например причината, поради която цената на първото поколение тънкослойни батерии не може да падне е, че запасите от кадмий и галий, които са редки елементи на земята, са твърде малки и в резултат на това колкото по-развита е индустрията е, колкото по-голямо е търсенето, толкова по-високи са производствените разходи и никога не е успял да се превърне в масов продукт. Суровините от перовскит са разпространени в големи количества на земята, а цената също е много евтина.
В допълнение, дебелината на покритието от калциево-титанова руда за батерии от калциево-титанова руда е само няколкостотин нанометра, около 1/500 от тази на силициевите пластини, което означава, че търсенето на материала е много малко. Например текущото глобално търсене на силициев материал за кристални силициеви клетки е около 500 000 тона годишно и ако всички те бъдат заменени с перовскитни клетки, ще са необходими само около 1000 тона перовскит.
По отношение на производствените разходи клетките от кристален силиций изискват пречистване на силиций до 99,9999%, така че силицийът трябва да се нагрее до 1400 градуса по Целзий, да се разтопи в течност, да се изтегли на кръгли пръчки и резени и след това да се сглоби в клетки с най-малко четири фабрики и две до три дни между тях и по-голяма консумация на енергия. Обратно, за производството на перовскитни клетки е необходимо само да се нанесе перовскитната базова течност върху субстрата и след това да се изчака кристализацията. Целият процес включва само стъкло, лепило, перовскит и химически материали и може да бъде завършен в една фабрика, като целият процес отнема само около 45 минути.
„Слънчевите клетки, приготвени от перовскит, имат отлична ефективност на фотоелектрическо преобразуване, която е достигнала 25,7% на този етап и могат да заменят традиционните базирани на силиций слънчеви клетки в бъдеще, за да станат мейнстрийм в търговията.“ Луо Дзиншан каза.
Има три основни проблема, които трябва да бъдат решени, за да се насърчи индустриализацията
При напредването на индустриализацията на халкоцита хората все още трябва да решат 3 проблема, а именно дългосрочната стабилност на халкоцита, подготовката на голяма площ и токсичността на оловото.
Първо, перовскитът е много чувствителен към околната среда и фактори като температура, влажност, светлина и натоварване на веригата могат да доведат до разлагане на перовскит и намаляване на ефективността на клетките. Понастоящем повечето лабораторни перовскитни модули не отговарят на международния стандарт IEC 61215 за фотоволтаични продукти, нито достигат 10-20-годишния живот на силициевите слънчеви клетки, така че цената на перовскита все още не е изгодна в традиционното фотоволтаично поле. В допълнение, механизмът на разграждане на перовскита и неговите устройства е много сложен и няма много ясно разбиране на процеса в областта, нито има унифициран количествен стандарт, което е в ущърб на изследванията за стабилност.
Друг основен въпрос е как да ги подготвим в голям мащаб. Понастоящем, когато се извършват изследвания за оптимизиране на устройството в лабораторията, ефективната светлинна площ на използваните устройства обикновено е по-малка от 1 cm2, а когато става въпрос за етап на търговско приложение на широкомащабни компоненти, методите за лабораторна подготовка трябва да бъдат подобрени или заменени. Основните методи, приложими в момента за получаване на перовскитни филми с голяма площ, са методът на разтвора и методът на вакуумно изпаряване. При метода на разтвор концентрацията и съотношението на прекурсорния разтвор, видът на разтворителя и времето за съхранение оказват голямо влияние върху качеството на перовскитните филми. Методът на вакуумно изпаряване подготвя добро качество и контролируемо отлагане на перовскитни филми, но отново е трудно да се постигне добър контакт между прекурсорите и субстратите. Освен това, тъй като транспортиращият слой на перовскитното устройство също трябва да бъде подготвен в голяма площ, в промишленото производство трябва да се създаде производствена линия с непрекъснато отлагане на всеки слой. Като цяло, процесът на подготовка на големи площи на перовскитни тънки филми все още се нуждае от допълнителна оптимизация.
И накрая, токсичността на оловото също е повод за безпокойство. По време на процеса на стареене на настоящите високоефективни перовскитни устройства, перовскитът ще се разложи, за да произведе свободни оловни йони и оловни мономери, които ще бъдат опасни за здравето, след като влязат в човешкото тяло.
Luo Jingshan вярва, че проблеми като стабилността могат да бъдат решени чрез опаковане на устройството. „Ако в бъдеще тези два проблема бъдат решени, има и зрял процес на подготовка, може също да направи перовскитни устройства в полупрозрачно стъкло или да го направи на повърхността на сгради, за да постигне интеграция на фотоволтаични сгради, или да направи гъвкави сгъваеми устройства за космическото и космическото пространство други полета, така че перовскитът в космоса без вода и кислородна среда да играе максимална роля. Luo Jingshan е уверен в бъдещето на перовскита.
Време на публикуване: 15 април 2023 г