В фотоэлектрической промышленности перовскит в последние годы пользуется большим спросом. Причина, по которой он стал «фаворитом» в области солнечных батарей, заключается в его уникальных условиях. Кальциево-титановая руда обладает множеством превосходных фотоэлектрических свойств, простым процессом приготовления, а также широким спектром сырья и богатым содержанием. Кроме того, перовскит также может использоваться в наземных электростанциях, авиации, строительстве, портативных устройствах для генерации энергии и во многих других областях.
21 марта газета Ningde Times подала заявку на патент на «солнечный элемент из титанита кальция, метод его изготовления и устройство питания». В последние годы, при поддержке внутренней политики и мер, кальциево-титановая рудная промышленность, представленная солнечными элементами из кальциево-титановой руды, добилась больших успехов. Так что же такое перовскит? Как идет индустриализация перовскита? Какие проблемы еще предстоит решить? Репортер Science and Technology Daily взял интервью у соответствующих экспертов.
Перовскит не является ни кальцием, ни титаном.
Так называемые перовскиты — это не кальций и не титан, а общий термин для класса «керамических оксидов» с одинаковой кристаллической структурой и молекулярной формулой ABX3. A означает «катион большого радиуса», B — «катион металла», а X — «анион галогена». A означает «катион большого радиуса», B означает «катион металла», а X означает «анион галогена». Эти три иона могут проявлять множество удивительных физических свойств за счет расположения различных элементов или регулирования расстояния между ними, включая, помимо прочего, изоляцию, сегнетоэлектричество, антиферромагнетизм, гигантский магнитный эффект и т. д.
«По элементному составу материала перовскиты можно условно разделить на три категории: перовскиты со сложными оксидами металлов, органические гибридные перовскиты и неорганические галогенированные перовскиты». Ло Цзиншань, профессор Школы электронной информации и оптической инженерии Нанкайского университета, сообщил, что титаниты кальция, которые сейчас используются в фотогальванике, обычно представляют собой два последних типа.
Перовскит может использоваться во многих областях, таких как наземные электростанции, аэрокосмическая промышленность, строительство и портативные устройства для производства электроэнергии. Среди них фотоэлектрическая область является основной областью применения перовскита. Структуры из титанита кальция легко проектируются и обладают очень хорошими фотоэлектрическими характеристиками, что в последние годы является популярным направлением исследований в фотоэлектрической области.
Индустриализация перовскита ускоряется, и за месторождение конкурируют отечественные предприятия. Сообщается, что первые 5000 модулей из кальциево-титановой руды были отправлены компанией Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Компания Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. также ускоряет строительство крупнейшей в мире пилотной линии по производству ламинированной кальциево-титановой руды мощностью 150 МВт; Компания Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. Линия по производству фотоэлектрических модулей из кальциево-титановой руды мощностью 150 МВт была завершена и введена в эксплуатацию в декабре 2022 года, а годовой объем производства может достичь 300 миллионов юаней после выхода на производство.
Кальций-титановая руда имеет очевидные преимущества в фотоэлектрической промышленности.
В фотоэлектрической промышленности перовскит в последние годы пользуется большим спросом. Причина, по которой он стал «фаворитом» в области солнечных батарей, кроется в его уникальных условиях.
«Во-первых, перовскит обладает множеством превосходных оптоэлектронных свойств, таких как регулируемая запрещенная зона, высокий коэффициент поглощения, низкая энергия связи экситонов, высокая подвижность носителей, высокая устойчивость к дефектам и т. д.; во-вторых, процесс изготовления перовскита прост и позволяет добиться полупрозрачности, сверхлегкости, ультратонкости, гибкости и т. д. Наконец, перовскитное сырье широко доступно и в изобилии». Ло Цзиншань представился. А для приготовления перовскита также требуется сравнительно невысокая чистота сырья.
В настоящее время в фотоэлектрической области используется большое количество солнечных элементов на основе кремния, которые можно разделить на солнечные элементы из монокристаллического кремния, поликристаллического кремния и солнечных элементов из аморфного кремния. Теоретический полюс фотоэлектрического преобразования кристаллических кремниевых ячеек составляет 29,4%, а текущие лабораторные условия могут достигать максимума 26,7%, что очень близко к потолку преобразования; можно предвидеть, что предельный выигрыш от технологических усовершенствований также будет становиться все меньше и меньше. Напротив, эффективность фотоэлектрического преобразования перовскитных ячеек имеет более высокое теоретическое значение полюса - 33%, а если два перовскитных элемента сложены вместе вверх и вниз, теоретическая эффективность преобразования может достигать 45%.
Помимо «эффективности», еще одним важным фактором является «стоимость». Например, причина, по которой стоимость тонкопленочных аккумуляторов первого поколения не может снизиться, заключается в том, что запасы кадмия и галлия, которые являются редкими элементами на земле, слишком малы, и, как следствие, чем более развита промышленность То есть, чем больше спрос, тем выше себестоимость производства, и он никогда не мог стать массовым продуктом. Сырье перовскита распространено на земле в больших количествах, а цена очень низкая.
Кроме того, толщина кальциево-титанового рудного покрытия для кальциево-титановых рудных батарей составляет всего несколько сотен нанометров, что составляет примерно 1/500 толщины кремниевых пластин, а это означает, что потребность в материале очень мала. Например, текущая мировая потребность в кремниевом материале для кристаллических кремниевых элементов составляет около 500 000 тонн в год, и если все их заменить перовскитными элементами, потребуется всего около 1000 тонн перовскита.
С точки зрения производственных затрат, элементы из кристаллического кремния требуют очистки кремния до 99,9999%, поэтому кремний необходимо нагреть до 1400 градусов по Цельсию, расплавить в жидкость, вытянуть в круглые стержни и пластинки, а затем собрать в элементы, используя как минимум четыре завода и два до трех дней между ними и большее потребление энергии. Напротив, для производства ячеек перовскита необходимо только нанести базовую жидкость перовскита на подложку и затем дождаться кристаллизации. Весь процесс включает в себя только стекло, клейкую пленку, перовскит и химические материалы и может быть выполнен на одном заводе, а весь процесс занимает всего около 45 минут.
«Солнечные элементы, изготовленные из перовскита, обладают превосходной эффективностью фотоэлектрического преобразования, которая на данном этапе достигла 25,7%, и в будущем могут заменить традиционные солнечные элементы на основе кремния и стать коммерческим основным направлением». Сказал Ло Цзиншань.
Есть три основные проблемы, которые необходимо решить для содействия индустриализации.
Для продвижения индустриализации халькоцита людям все еще необходимо решить 3 проблемы, а именно: долгосрочная стабильность халькоцита, подготовка больших площадей и токсичность свинца.
Во-первых, перовскит очень чувствителен к окружающей среде, и такие факторы, как температура, влажность, свет и нагрузка на цепь, могут привести к разложению перовскита и снижению эффективности элемента. В настоящее время большинство лабораторных перовскитных модулей не соответствуют международному стандарту IEC 61215 для фотоэлектрических продуктов и не достигают 10-20-летнего срока службы кремниевых солнечных элементов, поэтому стоимость перовскита по-прежнему не является выгодной в традиционной фотоэлектрической области. Кроме того, механизм деградации перовскита и его устройств очень сложен, и нет ни четкого понимания процесса в полевых условиях, ни единого количественного стандарта, что вредно для исследований стабильности.
Другой важный вопрос – как подготовить их в больших масштабах. В настоящее время, когда в лаборатории проводятся исследования по оптимизации устройств, эффективная световая площадь используемых устройств обычно составляет менее 1 см2, а когда дело доходит до стадии коммерческого применения крупномасштабных компонентов, методы лабораторной подготовки нуждаются в совершенствовании. или заменить. Основными методами, применимыми в настоящее время для получения перовскитных пленок большой площади, являются метод растворения и метод вакуумного испарения. В растворном методе большое влияние на качество перовскитных пленок оказывают концентрация и соотношение раствора-прекурсора, тип растворителя и время хранения. Метод вакуумного испарения обеспечивает качественное и контролируемое осаждение перовскитных пленок, но опять же трудно добиться хорошего контакта между прекурсорами и подложками. Кроме того, поскольку слой переноса заряда перовскитного устройства также необходимо подготовить на большой площади, в промышленном производстве необходимо создать производственную линию с непрерывным нанесением каждого слоя. В целом процесс получения тонких пленок перовскита большой площади все еще нуждается в дальнейшей оптимизации.
Наконец, токсичность свинца также вызывает обеспокоенность. В процессе старения современных высокоэффективных перовскитных устройств перовскит будет разлагаться с образованием свободных ионов свинца и мономеров свинца, которые будут опасны для здоровья при попадании в организм человека.
Ло Цзиншань считает, что такие проблемы, как стабильность, можно решить с помощью упаковки устройства. «Если в будущем эти две проблемы будут решены, то также будет разработан зрелый процесс подготовки, из которого можно будет также превращать перовскитовые устройства в полупрозрачное стекло или размещать их на поверхности зданий для достижения интеграции фотоэлектрических зданий или превращать в гибкие складные устройства для аэрокосмической и аэрокосмической промышленности. другие поля, так что перовскит в космосе без водной и кислородной среды будет играть максимальную роль». Ло Цзиншань уверен в будущем перовскита.
Время публикации: 15 апреля 2023 г.