In de fotovoltaïsche industrie is er de afgelopen jaren veel vraag naar perovskiet. De reden waarom het naar voren is gekomen als de “favoriet” op het gebied van zonnecellen is te danken aan de unieke omstandigheden. Calciumtitaanerts heeft veel uitstekende fotovoltaïsche eigenschappen, een eenvoudig bereidingsproces en een breed scala aan grondstoffen en een overvloedige inhoud. Bovendien kan perovskiet ook worden gebruikt in grondcentrales, de luchtvaart, de bouw, draagbare apparaten voor energieopwekking en vele andere gebieden.
Op 21 maart vroeg Ningde Times het patent aan voor “calciumtitaniet-zonnecel en zijn voorbereidingsmethode en energieapparaat”. De afgelopen jaren heeft de calcium-titaniumertsindustrie, vertegenwoordigd door calcium-titaanerts-zonnecellen, met steun van binnenlands beleid en maatregelen grote vooruitgang geboekt. Dus wat is perovskiet? Hoe verloopt de industrialisatie van perovskiet? Met welke uitdagingen worden we nog geconfronteerd? Wetenschap en Technologie Dagelijkse verslaggever interviewde de relevante experts.
Perovskiet is noch calcium, noch titanium.
De zogenaamde perovskieten zijn noch calcium noch titanium, maar een verzamelnaam voor een klasse van ‘keramische oxiden’ met dezelfde kristalstructuur, met de molecuulformule ABX3. A staat voor “kation met grote straal”, B voor “metaalkation” en X voor “halogeenanion”. A staat voor “kation met grote straal”, B staat voor “metaalkation” en X staat voor “halogeenanion”. Deze drie ionen kunnen veel verbazingwekkende fysieke eigenschappen vertonen door de rangschikking van verschillende elementen of door de afstand ertussen aan te passen, inclusief maar niet beperkt tot isolatie, ferro-elektriciteit, antiferromagnetisme, gigantisch magnetisch effect, enz.
“Afhankelijk van de elementaire samenstelling van het materiaal kunnen perovskieten grofweg worden onderverdeeld in drie categorieën: complexe metaaloxide-perovskieten, organische hybride perovskieten en anorganische gehalogeneerde perovskieten.” Luo Jingshan, professor aan de School of Electronic Information and Optical Engineering van de Nankai University, introduceerde dat de calciumtitanieten die nu in fotovoltaïsche zonne-energie worden gebruikt meestal de laatste twee zijn.
perovskiet kan op veel gebieden worden gebruikt, zoals elektriciteitscentrales op het land, de ruimtevaart, de bouw en draagbare apparaten voor energieopwekking. Onder hen is het fotovoltaïsche veld het belangrijkste toepassingsgebied van perovskiet. Calciumtitanietstructuren zijn zeer goed te ontwerpen en hebben zeer goede fotovoltaïsche prestaties, wat de afgelopen jaren een populaire onderzoeksrichting op fotovoltaïsch gebied is.
De industrialisatie van perovskiet versnelt en binnenlandse bedrijven strijden om de lay-out. Naar verluidt zijn de eerste 5.000 stuks calciumtitaanertsmodules verzonden door Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. versnelt ook de bouw van 's werelds grootste 150 MW volledig met calciumtitaniumerts gelamineerde proeflijn; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. 150 MW calcium-titaniumerts fotovoltaïsche moduleproductielijn is voltooid en in gebruik genomen in december 2022, en de jaarlijkse outputwaarde kan 300 miljoen yuan bereiken na het bereiken van de productie.
Calciumtitaanerts heeft duidelijke voordelen in de fotovoltaïsche industrie
In de fotovoltaïsche industrie is er de afgelopen jaren veel vraag naar perovskiet. De reden waarom het naar voren is gekomen als de “favoriet” op het gebied van zonnecellen is te wijten aan zijn eigen unieke omstandigheden.
“Ten eerste heeft perovskiet talrijke uitstekende opto-elektronische eigenschappen, zoals instelbare bandafstand, hoge absorptiecoëfficiënt, lage excitonbindingsenergie, hoge dragermobiliteit, hoge defecttolerantie, enz.; ten tweede is het bereidingsproces van perovskiet eenvoudig en kan het doorschijnendheid, ultralichtheid, ultradunheid, flexibiliteit, enz. bereiken. Ten slotte zijn de grondstoffen van perovskiet overal verkrijgbaar en overvloedig aanwezig. Luo Jingshan geïntroduceerd. En de bereiding van perovskiet vereist ook een relatief lage zuiverheid van grondstoffen.
Momenteel maakt het PV-veld gebruik van een groot aantal op silicium gebaseerde zonnecellen, die kunnen worden onderverdeeld in monokristallijn silicium, polykristallijn silicium en amorf silicium zonnecellen. De theoretische foto-elektrische conversiepool van kristallijne siliciumcellen is 29,4%, en de huidige laboratoriumomgeving kan een maximum van 26,7% bereiken, wat zeer dicht bij het conversieplafond ligt; het is te voorzien dat de marginale winst van technologische verbeteringen ook steeds kleiner zal worden. Daarentegen heeft de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie van perovskietcellen een hogere theoretische poolwaarde van 33%, en als twee perovskietcellen op en neer worden gestapeld, kan de theoretische conversie-efficiëntie 45% bereiken.
Naast ‘efficiëntie’ is een andere belangrijke factor ‘kosten’. De reden waarom de kosten van de eerste generatie dunnefilmbatterijen bijvoorbeeld niet omlaag kunnen, is dat de reserves aan cadmium en gallium, zeldzame elementen op aarde, te klein zijn, en als gevolg daarvan zal de industrie steeds verder ontwikkeld worden. dat wil zeggen: hoe groter de vraag, hoe hoger de productiekosten, en het heeft nooit een mainstream product kunnen worden. De grondstoffen van perovskiet worden in grote hoeveelheden over de aarde verspreid en de prijs is ook erg goedkoop.
Bovendien bedraagt de dikte van de calcium-titaniumertscoating voor calcium-titaanertsbatterijen slechts een paar honderd nanometer, ongeveer 1/500ste van die van siliciumwafels, wat betekent dat de vraag naar het materiaal zeer klein is. De huidige mondiale vraag naar siliciummateriaal voor kristallijne siliciumcellen bedraagt bijvoorbeeld ongeveer 500.000 ton per jaar, en als ze allemaal worden vervangen door perovskietcellen zal er slechts ongeveer 1.000 ton perovskiet nodig zijn.
In termen van productiekosten vereisen kristallijne siliciumcellen een zuivering van silicium tot 99,9999%, dus silicium moet worden verwarmd tot 1400 graden Celsius, tot vloeistof worden gesmolten, tot ronde staven en plakjes worden getrokken en vervolgens tot cellen worden samengevoegd, met ten minste vier fabrieken en twee tot drie dagen ertussen, en een hoger energieverbruik. Voor de productie van perovskietcellen is het daarentegen alleen nodig om de perovskietbasisvloeistof op het substraat aan te brengen en vervolgens te wachten op kristallisatie. Het hele proces omvat alleen glas, kleeffolie, perovskiet en chemische materialen, en kan in één fabriek worden voltooid, en het hele proces duurt slechts ongeveer 45 minuten.
“Zonnecellen vervaardigd uit perovskiet hebben een uitstekende foto-elektrische conversie-efficiëntie, die in dit stadium 25,7% heeft bereikt, en kunnen in de toekomst traditionele op silicium gebaseerde zonnecellen vervangen en de commerciële mainstream worden.” zei Luo Jingshan.
Er zijn drie grote problemen die moeten worden opgelost om de industrialisatie te bevorderen
Bij het bevorderen van de industrialisatie van chalcociet moeten mensen nog steeds drie problemen oplossen, namelijk de stabiliteit van chalcociet op de lange termijn, de voorbereiding van grote oppervlakken en de toxiciteit van lood.
Ten eerste is perovskiet erg gevoelig voor de omgeving, en factoren zoals temperatuur, vochtigheid, licht en circuitbelasting kunnen leiden tot de ontbinding van perovskiet en de vermindering van de celefficiëntie. Momenteel voldoen de meeste laboratorium-perovskietmodules niet aan de internationale norm IEC 61215 voor fotovoltaïsche producten, en halen ze ook niet de levensduur van 10-20 jaar van siliciumzonnecellen. De kosten van perovskiet zijn dus nog steeds niet voordelig op het traditionele fotovoltaïsche gebied. Bovendien is het afbraakmechanisme van perovskiet en zijn apparaten zeer complex, en er is geen erg duidelijk begrip van het proces in het veld, noch is er een uniforme kwantitatieve standaard, wat schadelijk is voor het stabiliteitsonderzoek.
Een ander belangrijk probleem is hoe ze op grote schaal kunnen worden bereid. Wanneer onderzoeken naar apparaatoptimalisatie momenteel in het laboratorium worden uitgevoerd, is het effectieve lichtoppervlak van de gebruikte apparaten doorgaans minder dan 1 cm2, en als het gaat om de commerciële toepassingsfase van grootschalige componenten, moeten de laboratoriumvoorbereidingsmethoden worden verbeterd. of vervangen. De belangrijkste methoden die momenteel van toepassing zijn op de bereiding van perovskietfilms met een groot oppervlak zijn de oplossingsmethode en de vacuümverdampingsmethode. Bij de oplossingsmethode hebben de concentratie en verhouding van de precursoroplossing, het type oplosmiddel en de opslagtijd een grote invloed op de kwaliteit van de perovskietfilms. De vacuümverdampingsmethode zorgt voor een goede kwaliteit en controleerbare afzetting van perovskietfilms, maar het is opnieuw moeilijk om een goed contact tussen precursors en substraten te bereiken. Omdat de ladingstransportlaag van het perovskietapparaat ook in een groot gebied moet worden voorbereid, moet er bovendien een productielijn worden opgezet met continue afzetting van elke laag in de industriële productie. Over het geheel genomen moet het proces van de bereiding van dunne perovskietfilms op grote oppervlakken nog verder worden geoptimaliseerd.
Ten slotte is ook de toxiciteit van lood een punt van zorg. Tijdens het verouderingsproces van de huidige perovskietapparaten met hoog rendement zal perovskiet ontbinden en vrije loodionen en loodmonomeren produceren, die gevaarlijk zullen zijn voor de gezondheid zodra ze het menselijk lichaam binnendringen.
Luo Jingshan is van mening dat problemen zoals stabiliteit kunnen worden opgelost door het verpakken van apparaten. “Als deze twee problemen in de toekomst worden opgelost, is er ook een volwassen voorbereidingsproces, kunnen we perovskietapparaten ook tot doorschijnend glas maken of op het oppervlak van gebouwen aanbrengen om fotovoltaïsche gebouwintegratie te bereiken, of kunnen we er flexibele opvouwbare apparaten van maken voor de lucht- en ruimtevaart en andere velden, zodat perovskiet in de ruimte zonder water en zuurstof een maximale rol kan spelen.” Luo Jingshan heeft vertrouwen in de toekomst van perovskiet.
Posttijd: 15 april 2023