היתרונות והחסרונות של פרובסקייט ליישומי תאים סולאריים

בתעשייה הפוטו -וולטאית, Perovskite ביקוש חם בשנים האחרונות. הסיבה לכך שהיא התגלתה כ"האהוב "בתחום התאים הסולאריים נובעת מתנאיו הייחודיים. לעפרות סידן טיטניום יש הרבה תכונות פוטו -וולטאיות מצוינות, תהליך הכנה פשוטות ומגוון רחב של חומרי גלם ותוכן שופע. בנוסף, ניתן להשתמש בפרובסקייט גם בתחנות כוח קרקע, תעופה, בנייה, מכשירי ייצור חשמל לבישים ושדות רבים אחרים.
ב- 21 במרץ, נינגדה טיימס הגיש בקשה לפטנט של "תאי סולארי סידן טיטניט ושיטת ההכנה ומכשיר הכוח שלו". בשנים האחרונות, בתמיכת מדיניות ומדדים מקומיים, ענף עפרות סידן-טיטניום, המיוצג על ידי תאים סולאריים של עפרות סידן-טיטניום, עשה צעדים גדולים. אז מה זה perovskite? איך התיעוש של perovskite? עם אילו אתגרים עדיין מתמודדים? כתב דיילי מדע וטכנולוגיה ראיין את המומחים הרלוונטיים.

Perovskite אינו סידן ולא טיטניום.

מה שמכונה פרובסקיטים אינם סידן ולא טיטניום, אלא מונח גנרי לכיתה של "תחמוצות קרמיקה" עם אותו מבנה גביש, עם הנוסחה המולקולרית ABX3. A מייצג "קטיון רדיוס גדול", B עבור "קטיון מתכת" ו- X ל"אניון הלוגן ". A מייצג "קטיון רדיוס גדול", B מייצג "קטיון מתכת" ו- X מייצג "אניון הלוגן". שלושת היונים הללו יכולים להציג תכונות פיזיות מדהימות רבות באמצעות סידור של אלמנטים שונים או על ידי התאמת המרחק ביניהם, כולל אך לא מוגבל לבידוד, פרואלקטריות, אנטיפרומגנטיות, השפעה מגנטית ענקית וכו '.
"על פי ההרכב האלמנטרי של החומר, ניתן לחלק את הפרובסקטים באופן גס לשלוש קטגוריות: פרובסקיטים מורכבים של תחמוצת מתכת, פרובסקיטים היברידיים אורגניים ופרובסקיטים הלוגניים לא -אורגניים." לואו ג'ינגשאן, פרופסור בבית הספר למידע אלקטרוני והנדסה אופטית באוניברסיטת ננקאי, הציג כי הסידן טיטניטים המשמשים כיום בפוטו -וולטאים הם בדרך כלל השניים האחרונים.
ניתן להשתמש ב- Perovskite בתחומים רבים כמו תחנות כוח יבשתי, תעופה וחלל, בנייה ומכשירי ייצור חשמל לבישים. ביניהם, שדה פוטו -וולטאי הוא אזור היישום העיקרי של פרובסקייט. מבני סידן טיטניט ניתנים לעיצוב מאוד ובעלי ביצועים פוטו -וולטאיים טובים מאוד, שהם כיוון מחקר פופולרי בתחום הפוטו -וולטאי בשנים האחרונות.
התיעוש של Perovskite מואץ, ומפעלים מקומיים מתחרים על הפריסה. דווח כי 5,000 חתיכות המודולים הראשונים של סידן טיטניום עפרות נשלחו מ- Hungzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. מאיצה גם את בניית הקו הגדול ביותר בעולם של קו טייס למינציה של 150 מגוואט המלאה בעולם; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. בע"מ. 150 מגה וואט סידן-טיטניום עפרות פוטו וולטאיות קו ייצור קו ייצור הושלם והושם בפעולה בדצמבר 2022, וערך התפוקה השנתי יכול להגיע ל -300 מיליון יואן לאחר הגעה לייצור.

לעפרות סידן טיטניום יש יתרונות ברורים בתעשייה הפוטו -וולטאית

בתעשייה הפוטו -וולטאית, Perovskite ביקוש חם בשנים האחרונות. הסיבה לכך שהיא התגלתה כ"האהוב "בתחום התאים הסולאריים נובעת מתנאים ייחודיים משלה.
"ראשית, ל- Perovskite יש מספר רב של תכונות אופטו -אלקטרוניות מצוינות, כמו פער פס מתכוונן, מקדם ספיגה גבוה, אנרגיה מחייבת אקסיטון נמוכה, ניידות נשאית גבוהה, סובלנות ליקוי גבוהה וכו '; שנית, תהליך ההכנה של perovskite הוא פשוט ויכול להשיג שקיפות, אור אולטרה, דלילות אולטרה, גמישות וכו '. לבסוף, חומרי גלם פרובסקייט זמינים ושופעים באופן נרחב. " לואו ג'ינגשאן הציג. והכנת perovskite דורשת גם טוהר נמוך יחסית של חומרי גלם.
נכון לעכשיו, שדה ה- PV משתמש במספר גדול של תאים סולאריים מבוססי סיליקון, אותם ניתן לחלק לסיליקון מונוקריסטלי, סיליקון פוליקריסטלי ותאי סיליקון אמורפיים. עמוד ההמרה הפוטואלקטרי התיאורטי של תאי סיליקון גבישיים הוא 29.4%, וסביבת המעבדה הנוכחית יכולה להגיע למקסימום של 26.7%, שקרוב מאוד לתקרת ההמרה; ניתן לחזות כי הרווח השולי של שיפור טכנולוגי יהפוך גם הוא קטן וקטן יותר. לעומת זאת, ליעילות ההמרה הפוטו -וולטאית של תאי perovskite יש ערך עמוד תיאורטי גבוה יותר של 33%, ואם שני תאי perovskite נערמים מעלה ומטה יחד, יעילות ההמרה התיאורטית יכולה להגיע ל 45%.
בנוסף ל"יעילות ", גורם חשוב נוסף הוא" עלות ". לדוגמה, הסיבה לכך שעלות הדור הראשון של סוללות סרטים דקים לא יכולה לרדת היא שהעתודות של קדמיום וגליום, שהן אלמנטים נדירים על כדור הארץ, הם קטנים מדי, וכתוצאה מכך, ככל שהתעשייה מפותחת יותר הוא, ככל שהביקוש גדול יותר, כך עלות הייצור גבוהה יותר, והיא מעולם לא הצליחה להפוך למוצר מיינסטרימי. חומרי הגלם של פרובסקייט מופצים בכמויות גדולות על כדור הארץ, והמחיר גם זול מאוד.
בנוסף, עובי ציפוי עפרות הסידן-טיטניום לסוללות עפרות סידן-טיטניום הוא רק כמה מאות ננומטר, בערך 1/500 מזה של פליקי הסיליקון, מה שאומר שהביקוש לחומר הוא קטן מאוד. לדוגמה, הביקוש העולמי הנוכחי לחומר סיליקון לתאי סיליקון גבישים הוא כ 500,000 טון בשנה, ואם כולם יוחלפו בתאי פרובסקייט, יהיה צורך רק בכ -1,000 טון של פרובסקייט.
מבחינת עלויות הייצור, תאי סיליקון גבישיים דורשים טיהור סיליקון ל 99.99999%, ולכן יש לחמם את הסיליקון ל 1400 מעלות צלזיוס, להמיס לנוזל, לשרטט מוטות עגולים ופרוסות ואז להרכיב לתאים, עם לפחות ארבעה מפעלים ושניים ושניים לשלושה ימים בין לבין לצריכת אנרגיה רבה יותר. לעומת זאת, לייצור תאי perovskite, יש צורך רק למרוח את נוזל בסיס הפרובסקייט על המצע ואז לחכות להתגבשות. התהליך כולו כולל רק זכוכית, סרט דבק, חומרים פרובסקייט וחומרים כימיים, וניתן להשלים אותו במפעל אחד, וכל התהליך לוקח רק 45 דקות.
"תאים סולאריים שהוכנו מפרובסקייט הם בעלי יעילות המרה פוטואלקטרית מעולה, שהגיעה ל -25.7% בשלב זה, ועשויה להחליף בעתיד תאים סולאריים מבוססי סיליקון מסורתיים כדי להפוך למיינסטרים המסחרי." לואו ג'ינגשאן אמר.
ישנן שלוש בעיות עיקריות שצריך לפתור לקידום התיעוש

בקידום התיעוש של הכלקוציט, אנשים עדיין צריכים לפתור 3 בעיות, כלומר היציבות לטווח הארוך של כלקוציט, הכנת שטח גדולה ורעילות עופרת.
ראשית, perovskite רגיש מאוד לסביבה, וגורמים כמו טמפרטורה, לחות, אור ועומס מעגלים יכולים להוביל לפירוק של perovskite ולהפחתת יעילות התא. נכון לעכשיו מרבית המודולים Perovskite במעבדה אינם עומדים בתקן הבינלאומי IEC 61215 עבור מוצרים פוטו-וולטאיים, והם גם לא מגיעים לחיים של 10-20 שנה של תאים סולאריים סיליקון, כך שעלות הפרובסקייט עדיין אינה מועילה בתחום הפוטו-וולטאי המסורתי. בנוסף, מנגנון ההשפלה של פרובסקייט ומכשיריו מורכב מאוד, ואין הבנה ברורה מאוד של התהליך בתחום, וגם אין תקן כמותי אחיד, הפוגע במחקר היציבות.
נושא מרכזי נוסף הוא כיצד להכין אותם בקנה מידה גדול. נכון לעכשיו, כאשר מבוצעים מחקרי אופטימיזציה של מכשירים במעבדה, אזור האור האפקטיבי של המכשירים המשמשים הוא בדרך כלל פחות מ- 1 ס"מ 2, וכשמדובר בשלב היישום המסחרי של רכיבים בקנה מידה גדול, יש לשפר את שיטות ההכנה במעבדה או הוחלף. השיטות העיקריות החלות כיום על הכנת סרטי פרובסקייט באזור גדול הם שיטת הפיתרון ושיטת אידוי הוואקום. בשיטת הפיתרון, הריכוז והיחס של פיתרון המבשר, סוג הממס וזמן האחסון משפיעים מאוד על איכות סרטי הפרובסקייט. שיטת אידוי ואקום מכין תצהיר איכותי ושליטה של ​​סרטי פרובסקייט, אך שוב קשה להשיג קשר טוב בין מבשרי מצעים. בנוסף, מכיוון שצריך להכין את שכבת הובלת המטען של מכשיר Perovskite באזור גדול, יש לקבוע קו ייצור עם תצהיר רציף של כל שכבה בייצור תעשייתי. בסך הכל, תהליך ההכנה בשטח גדול של סרטים דקים של Perovskite עדיין זקוק לאופטימיזציה נוספת.
לבסוף, רעילות העופרת היא גם סוגיה של דאגה. במהלך תהליך ההזדקנות של מכשירי perovskite היעילים הגבוהים, Perovskite יתפרק כדי לייצר יוני עופרת חופשיים ולמונומרים עופרת, שיהיו מסוכנים לבריאות ברגע שייכנסו לגוף האדם.
לואו ג'ינגשאן מאמין שניתן לפתור בעיות כמו יציבות על ידי אריזת מכשירים. "אם בעתיד, שתי הבעיות הללו נפתרות, יש גם תהליך הכנה בוגר, יכול גם להפוך מכשירי perovskite לזכוכית שקופה או לעשות על פני הבניינים כדי להשיג שילוב בנייה פוטו -וולטאית, או להכין למכשירים מתקפלים גמישים עבור תעופה וחלל וכן שדות אחרים, כך שפרובסקייט בחלל ללא מים וסביבת חמצן למלא תפקיד מרבי. " לואו ג'ינגשאן בטוח ביחס לעתיד פרובסקייט.