W branży fotowoltaicznej perowskit cieszy się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem. Powodem, dla którego stał się „ulubieńcem” w dziedzinie ogniw słonecznych, są jego wyjątkowe warunki. Ruda wapniowo-tytanowa ma wiele doskonałych właściwości fotowoltaicznych, prosty proces przygotowania oraz szeroką gamę surowców i dużą zawartość. Ponadto perowskit może być również stosowany w elektrowniach naziemnych, lotnictwie, budownictwie, urządzeniach do wytwarzania energii do noszenia i wielu innych dziedzinach.
21 marca Ningde Times złożył wniosek o patent na „ogniwo słoneczne z tytanitu wapnia oraz metodę jego wytwarzania i urządzenie zasilające”. W ostatnich latach, przy wsparciu krajowych polityk i środków, przemysł rudy wapniowo-tytanowej, reprezentowany przez ogniwa słoneczne z rudy wapniowo-tytanowej, poczynił ogromne postępy. Czym więc jest perowskit? Jak przebiega industrializacja perowskitu? Jakie wyzwania wciąż stoją przed nami? Reporter Science and Technology Daily przeprowadził wywiady z odpowiednimi ekspertami.
Perowskit nie jest ani wapniem, ani tytanem.
Tak zwane perowskity nie są ani wapniem, ani tytanem, ale ogólnym terminem określającym klasę „tlenków ceramicznych” o tej samej strukturze krystalicznej i wzorze cząsteczkowym ABX3. A oznacza „kation o dużym promieniu”, B – „kation metalu”, a X – „anion halogenowy”. A oznacza „kation o dużym promieniu”, B oznacza „kation metalu”, a X oznacza „anion halogenowy”. Te trzy jony mogą wykazywać wiele niesamowitych właściwości fizycznych poprzez rozmieszczenie różnych pierwiastków lub poprzez regulację odległości między nimi, w tym między innymi izolację, ferroelektryczność, antyferromagnetyzm, gigantyczny efekt magnetyczny itp.
„Zgodnie ze składem pierwiastkowym materiału perowskity można z grubsza podzielić na trzy kategorie: perowskity ze złożonymi tlenkami metali, organiczne perowskity hybrydowe i nieorganiczne perowskity halogenowane”. Luo Jingshan, profesor w Szkole Informacji Elektronicznej i Inżynierii Optycznej na Uniwersytecie Nankai, przedstawił, że tytanity wapnia stosowane obecnie w fotowoltaice to zwykle te dwa ostatnie.
perowskit może być stosowany w wielu dziedzinach, takich jak elektrownie naziemne, przemysł lotniczy, budownictwo i urządzenia do wytwarzania energii do noszenia. Wśród nich głównym obszarem zastosowania perowskitu jest pole fotowoltaiczne. Struktury tytanitu wapnia są wysoce projektowalne i charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami fotowoltaicznymi, co jest popularnym kierunkiem badań w dziedzinie fotowoltaiki w ostatnich latach.
Uprzemysłowienie perowskitu przyspiesza, a krajowe przedsiębiorstwa konkurują o układ. Poinformowano, że pierwsze 5000 sztuk modułów rudy wapniowo-tytanowej wysłanych z Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd.; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. również przyspiesza budowę największej na świecie linii pilotażowej laminowanej w całości rudą wapniowo-tytanową o mocy 150 MW; Linia do produkcji modułów fotowoltaicznych z rudy wapniowo-tytanowej Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. o mocy 150 MW została ukończona i oddana do użytku w grudniu 2022 r., a roczna wartość produkcji może osiągnąć 300 milionów juanów po osiągnięciu poziomu produkcyjnego.
Ruda wapniowo-tytanowa ma oczywiste zalety w przemyśle fotowoltaicznym
W branży fotowoltaicznej perowskit cieszy się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem. Powodem, dla którego stał się „ulubieńcem” w dziedzinie ogniw słonecznych, są jego własne, unikalne warunki.
„Po pierwsze, perowskit ma wiele doskonałych właściwości optoelektronicznych, takich jak regulowane pasmo wzbronione, wysoki współczynnik absorpcji, niska energia wiązania ekscytonu, wysoka ruchliwość nośnika, wysoka tolerancja defektów itp.; po drugie, proces przygotowania perowskitu jest prosty i pozwala uzyskać przezroczystość, ultralekkość, ultracienkość, elastyczność itp. Wreszcie, surowce perowskitu są szeroko dostępne i obfite”. Przedstawił Luo Jingshana. Przygotowanie perowskitu wymaga również stosunkowo niskiej czystości surowców.
Obecnie w polu fotowoltaicznym wykorzystuje się dużą liczbę ogniw słonecznych na bazie krzemu, które można podzielić na krzem monokrystaliczny, krzem polikrystaliczny i ogniwa słoneczne z krzemu amorficznego. Teoretyczny biegun konwersji fotoelektrycznej ogniw z krzemu krystalicznego wynosi 29,4%, a obecne środowisko laboratoryjne może osiągnąć maksymalnie 26,7%, czyli bardzo blisko pułapu konwersji; można przewidzieć, że marginalny zysk z ulepszenia technologicznego również będzie coraz mniejszy. Natomiast wydajność konwersji fotowoltaicznej ogniw perowskitowych ma wyższą teoretyczną wartość bieguna wynoszącą 33%, a jeśli dwa ogniwa perowskitowe zostaną ułożone razem w górę i w dół, teoretyczna wydajność konwersji może osiągnąć 45%.
Oprócz „efektywności” kolejnym ważnym czynnikiem jest „koszt”. Na przykład powodem, dla którego koszt pierwszej generacji baterii cienkowarstwowych nie może spaść, jest to, że zasoby kadmu i galu, które są pierwiastkami rzadkimi na Ziemi, są zbyt małe, w związku z czym im bardziej rozwinięty przemysł jest tak, że im większy popyt, tym wyższy koszt produkcji i nigdy nie mógł stać się produktem głównego nurtu. Surowce perowskitu są dystrybuowane na ziemi w dużych ilościach, a cena jest również bardzo tania.
Ponadto grubość powłoki z rudy wapniowo-tytanowej w przypadku akumulatorów z rudy wapniowo-tytanowej wynosi zaledwie kilkaset nanometrów, czyli około 1/500 grubości płytek krzemowych, co oznacza, że zapotrzebowanie na ten materiał jest bardzo małe. Na przykład obecne globalne zapotrzebowanie na materiał krzemowy do ogniw z krzemu krystalicznego wynosi około 500 000 ton rocznie, a jeśli wszystkie zostaną zastąpione ogniwami perowskitowymi, potrzebne będzie jedynie około 1000 ton perowskitu.
Jeśli chodzi o koszty produkcji, ogniwa z krzemu krystalicznego wymagają oczyszczenia krzemu do 99,9999%, więc krzem należy podgrzać do 1400 stopni Celsjusza, stopić w ciecz, rozciągnąć w okrągłe pręty i plastry, a następnie złożyć w ogniwa, przy co najmniej czterech fabrykach i dwóch do trzech dni pomiędzy nimi i większe zużycie energii. Natomiast do produkcji ogniw perowskitowych wystarczy nałożyć na podłoże ciecz bazową perowskitu i następnie poczekać na krystalizację. Cały proces obejmuje wyłącznie szkło, folię samoprzylepną, perowskit i materiały chemiczne i można go przeprowadzić w jednej fabryce, a cały proces zajmuje tylko około 45 minut.
„Ogniwa słoneczne przygotowane z perowskitu mają doskonałą wydajność konwersji fotoelektrycznej, która na tym etapie osiągnęła 25,7% i mogą w przyszłości zastąpić tradycyjne ogniwa słoneczne na bazie krzemu, stając się głównym nurtem komercyjnym”. – powiedział Luo Jingshan.
Aby promować industrializację, należy rozwiązać trzy główne problemy
Postępując w procesie industrializacji chalkocytu, ludzie nadal muszą rozwiązać 3 problemy, a mianowicie długoterminową stabilność chalkocytu, przygotowanie dużych powierzchni i toksyczność ołowiu.
Po pierwsze, perowskit jest bardzo wrażliwy na środowisko, a czynniki takie jak temperatura, wilgotność, światło i obciążenie obwodu mogą prowadzić do rozkładu perowskitu i zmniejszenia wydajności ogniwa. Obecnie większość laboratoryjnych modułów perowskitowych nie spełnia międzynarodowej normy IEC 61215 dotyczącej produktów fotowoltaicznych ani nie osiąga 10-20-letniego okresu życia krzemowych ogniw słonecznych, więc koszt perowskitu w dalszym ciągu nie jest korzystny w tradycyjnej dziedzinie fotowoltaiki. Ponadto mechanizm degradacji perowskitu i jego urządzeń jest bardzo złożony i nie ma zbyt jasnego zrozumienia tego procesu w terenie ani jednolitej normy ilościowej, co jest szkodliwe dla badań nad stabilnością.
Kolejną istotną kwestią jest sposób ich przygotowania na dużą skalę. Obecnie, gdy w laboratorium prowadzone są badania optymalizacji urządzeń, efektywna powierzchnia świetlna stosowanych urządzeń wynosi zwykle mniej niż 1 cm2, a jeśli chodzi o etap komercyjnego zastosowania wielkogabarytowych komponentów, należy udoskonalić metody przygotowania laboratorium lub wymieniony. Głównymi metodami stosowanymi obecnie do wytwarzania wielkopowierzchniowych folii perowskitowych są metoda rozpuszczająca i metoda odparowywania próżniowego. W metodzie roztworowej stężenie i stosunek roztworu prekursora, rodzaj rozpuszczalnika i czas przechowywania mają duży wpływ na jakość folii perowskitowych. Metoda odparowania próżniowego zapewnia dobrej jakości i kontrolowane osadzanie warstw perowskitu, ale ponownie trudno jest uzyskać dobry kontakt między prekursorami a podłożami. Ponadto, ponieważ warstwa transportująca ładunek urządzenia perowskitowego również musi być przygotowana na dużym obszarze, w produkcji przemysłowej należy stworzyć linię produkcyjną z ciągłym osadzaniem każdej warstwy. Ogólnie rzecz biorąc, proces wielkopowierzchniowego przygotowania cienkich warstw perowskitu nadal wymaga dalszej optymalizacji.
Wreszcie niepokojąca jest także toksyczność ołowiu. Podczas procesu starzenia obecnych wysokowydajnych urządzeń perowskitowych perowskit ulegnie rozkładowi, tworząc wolne jony ołowiu i monomery ołowiu, które po przedostaniu się do organizmu ludzkiego będą niebezpieczne dla zdrowia.
Luo Jingshan wierzy, że problemy takie jak stabilność można rozwiązać poprzez opakowanie urządzenia. „Jeśli w przyszłości te dwa problemy zostaną rozwiązane, nastąpi również dojrzały proces przygotowawczy, który umożliwi przekształcenie urządzeń perowskitowych w półprzezroczyste szkło lub umieszczenie ich na powierzchni budynków w celu integracji budynków fotowoltaicznych lub przekształcenie ich w elastyczne, składane urządzenia dla przemysłu lotniczego i kosmicznego innych polach, tak aby perowskit w przestrzeni pozbawionej środowiska wodnego i tlenowego odegrał maksymalną rolę.” Luo Jingshan jest pewien przyszłości perowskitu.
Czas publikacji: 15 kwietnia 2023 r