U fotonaponskoj industriji perovskit je bio u velikoj potražnji posljednjih godina. Razlog zašto se pojavio kao "favorit" u području solarnih ćelija su njegovi jedinstveni uvjeti. Kalcij-titanova ruda ima mnoga izvrsna fotonaponska svojstva, jednostavan postupak pripreme te širok raspon sirovina i obilan sadržaj. Osim toga, perovskit se također može koristiti u zemaljskim elektranama, zrakoplovstvu, građevinarstvu, nosivim uređajima za proizvodnju električne energije i mnogim drugim područjima.
Ningde Times je 21. ožujka podnio zahtjev za patent "solarne ćelije od kalcijevog titanita i metode njezine pripreme i uređaja za napajanje". Posljednjih godina, uz podršku domaćih politika i mjera, industrija kalcij-titanijeve rude, koju predstavljaju solarne ćelije kalcij-titanijeve rude, napravila je veliki napredak. Dakle, što je perovskit? Kako je industrijalizacija perovskita? S kojim izazovima se još suočavate? Novinar Science and Technology Dailya razgovarao je s relevantnim stručnjacima.
Perovskit nije ni kalcij ni titan.
Takozvani perovskiti nisu ni kalcij ni titan, već generički izraz za klasu "keramičkih oksida" s istom kristalnom strukturom, s molekularnom formulom ABX3. A označava "kation velikog radijusa", B za "metalni kation" i X za "halogen anion". A označava "kation velikog radijusa", B označava "metalni kation", a X označava "halogen anion". Ova tri iona mogu pokazati mnoga nevjerojatna fizikalna svojstva kroz raspored različitih elemenata ili podešavanjem udaljenosti između njih, uključujući ali ne ograničavajući se na izolaciju, feroelektricitet, antiferomagnetizam, divovski magnetski učinak itd.
"Prema elementarnom sastavu materijala, perovskiti se mogu grubo podijeliti u tri kategorije: kompleksni metalni oksid perovskiti, organski hibridni perovskiti i anorganski halogenirani perovskiti." Luo Jingshan, profesor na Fakultetu elektroničkih informacija i optičkog inženjerstva Sveučilišta Nankai, predstavio je da su kalcijevi titaniti koji se sada koriste u fotonaponskim uređajima obično posljednja dva.
perovskit se može koristiti u mnogim područjima kao što su zemaljske elektrane, zrakoplovstvo, građevinarstvo i nosivi uređaji za proizvodnju električne energije. Među njima, fotonaponsko polje je glavno područje primjene perovskita. Strukture kalcijevog titanita vrlo su dizajnirane i imaju vrlo dobre fotonaponske performanse, što je popularan smjer istraživanja u fotonaponskom polju posljednjih godina.
Industrijalizacija perovskita se ubrzava, a domaća poduzeća natječu se za raspored. Prijavljeno je da je prvih 5000 komada modula kalcijeve titanijeve rude isporučeno iz Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. također ubrzava izgradnju najveće svjetske pilot linije od 150 MW pune laminirane rude kalcija i titana; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. Linija za proizvodnju fotonaponskih modula od kalcij-titanove rude od 150 MW dovršena je i puštena u rad u prosincu 2022., a godišnja vrijednost proizvodnje može doseći 300 milijuna juana nakon dostizanja proizvodnje.
Kalcij-titanova ruda ima očite prednosti u fotonaponskoj industriji
U fotonaponskoj industriji perovskit je bio u velikoj potražnji posljednjih godina. Razlog zašto se pojavio kao "favorit" u polju solarnih ćelija su njegovi jedinstveni uvjeti.
“Prvo, perovskit ima brojna izvrsna optoelektronička svojstva, kao što je podesivi razmak pojasa, visok koeficijent apsorpcije, niska energija vezivanja ekscitona, visoka pokretljivost nositelja, visoka tolerancija na defekte, itd.; drugo, proces pripreme perovskita je jednostavan i može postići prozirnost, ultra-lakoću, ultra-tankost, fleksibilnost, itd. Konačno, sirovine za perovskit su široko dostupne i obilne.” Predstavljen Luo Jingshan. A priprema perovskita također zahtijeva relativno nisku čistoću sirovina.
Trenutačno, PV polje koristi veliki broj solarnih ćelija na bazi silicija, koje se mogu podijeliti na monokristalni silicij, polikristalni silicij i amorfni silicij solarne ćelije. Teoretski pol fotoelektrične pretvorbe ćelija od kristalnog silicija je 29,4%, a trenutno laboratorijsko okruženje može doseći najviše 26,7%, što je vrlo blizu gornje granice pretvorbe; predvidljivo je da će marginalni dobitak tehnološkog poboljšanja također postajati sve manji. Nasuprot tome, učinkovitost fotonaponske pretvorbe perovskitnih ćelija ima višu teoretsku vrijednost pola od 33%, a ako su dvije perovskitne ćelije naslagane gore i dolje zajedno, teorijska učinkovitost pretvorbe može doseći 45%.
Osim "učinkovitosti", drugi važan faktor je "trošak". Na primjer, razlog zašto se cijena prve generacije tankoslojnih baterija ne može smanjiti je taj što su rezerve kadmija i galija, koji su rijetki elementi na zemlji, premale, a kao rezultat toga, što je industrija razvijenija je, što je veća potražnja, to je veći trošak proizvodnje, i nikada nije uspio postati mainstream proizvod. Sirovine perovskita raspoređene su u velikim količinama na zemlji, a cijena je također vrlo niska.
Osim toga, debljina prevlake kalcij-titanijeve rude za baterije od kalcij-titanijeve rude je samo nekoliko stotina nanometara, oko 1/500 u odnosu na silikonske pločice, što znači da je potražnja za materijalom vrlo mala. Na primjer, trenutna globalna potražnja za silicijskim materijalom za kristalne silicijeve ćelije je oko 500.000 tona godišnje, a ako se sve one zamijene perovskitnim ćelijama, bit će potrebno samo oko 1.000 tona perovskita.
Što se tiče troškova proizvodnje, ćelije kristalnog silicija zahtijevaju pročišćavanje silicija do 99,9999%, tako da se silicij mora zagrijati na 1400 stupnjeva Celzija, rastopiti u tekućinu, izvući u okrugle šipke i kriške, a zatim sastaviti u ćelije, s najmanje četiri tvornice i dvije do tri dana između te veća potrošnja energije. Nasuprot tome, za proizvodnju perovskitnih stanica potrebno je samo nanijeti perovskitnu baznu tekućinu na podlogu i zatim pričekati kristalizaciju. Cijeli proces uključuje samo staklo, ljepljivu foliju, perovskit i kemijske materijale, a može se završiti u jednoj tvornici, a cijeli proces traje samo oko 45 minuta.
"Solarne ćelije pripremljene od perovskita imaju izvrsnu fotoelektričnu učinkovitost pretvorbe, koja je dosegla 25,7% u ovoj fazi, i mogu zamijeniti tradicionalne solarne ćelije na bazi silicija u budućnosti i postati komercijalni mainstream." rekao je Luo Jingshan.
Tri su glavna problema koja se moraju riješiti kako bi se promicala industrijalizacija
U napredovanju industrijalizacije kalkocita, ljudi još uvijek trebaju riješiti 3 problema, naime dugoročnu stabilnost kalkocita, pripremu velike površine i toksičnost olova.
Prvo, perovskit je vrlo osjetljiv na okoliš, a čimbenici kao što su temperatura, vlažnost, svjetlost i opterećenje kruga mogu dovesti do razgradnje perovskita i smanjenja učinkovitosti ćelije. Trenutačno većina laboratorijskih perovskitnih modula ne zadovoljava međunarodni standard IEC 61215 za fotonaponske proizvode, niti dostižu 10-20 godina životnog vijeka silicijevih solarnih ćelija, tako da cijena perovskita još uvijek nije povoljna u tradicionalnom fotonaponskom polju. Osim toga, mehanizam razgradnje perovskita i njegovih uređaja vrlo je složen i ne postoji vrlo jasno razumijevanje procesa na terenu, niti postoji jedinstveni kvantitativni standard, što je štetno za istraživanje stabilnosti.
Drugo važno pitanje je kako ih pripremiti u velikim količinama. Trenutno, kada se studije optimizacije uređaja provode u laboratoriju, efektivna svjetlosna površina korištenih uređaja obično je manja od 1 cm2, a kada se radi o fazi komercijalne primjene velikih komponenti, potrebno je poboljšati metode laboratorijske pripreme ili zamijeniti. Glavne metode koje se trenutno primjenjuju za pripremu perovskitnih filmova velike površine su metoda otopine i metoda vakuumskog isparavanja. U metodi otopine, koncentracija i omjer otopine prekursora, vrsta otapala i vrijeme skladištenja imaju veliki utjecaj na kvalitetu perovskitnih filmova. Metoda vakuumske evaporacije priprema kvalitetno i kontrolirano taloženje perovskitnih filmova, ali je opet teško postići dobar kontakt između prekursora i supstrata. Osim toga, budući da se sloj za prijenos naboja perovskitnog uređaja također treba pripremiti na velikom području, u industrijskoj proizvodnji treba uspostaviti proizvodnu liniju s kontinuiranim taloženjem svakog sloja. Sveukupno, proces pripreme velikih površina perovskitnih tankih filmova još treba dodatno optimizirati.
Konačno, toksičnost olova je također problem. Tijekom procesa starenja sadašnjih visokoučinkovitih uređaja s perovskitom, perovskit će se razgraditi i proizvesti slobodne ione olova i monomere olova, koji će biti opasni za zdravlje nakon što uđu u ljudsko tijelo.
Luo Jingshan vjeruje da se problemi poput stabilnosti mogu riješiti pakiranjem uređaja. „Ako se u budućnosti ova dva problema riješe, postoji i zreo proces pripreme, koji također može napraviti uređaje od perovskita u prozirno staklo ili učiniti na površini zgrada kako bi se postigla integracija fotonaponske zgrade ili napraviti fleksibilne sklopive uređaje za zrakoplovstvo i svemir. drugim poljima, tako da perovskit u svemirskom okruženju bez vode i kisika igra maksimalnu ulogu.” Luo Jingshan je uvjeren u budućnost perovskita.
Vrijeme objave: 15. travnja 2023