مزایا و معایب پروسکایت برای کاربردهای سلول خورشیدی

در صنعت فتوولتائیک، پروسکایت در سال های اخیر تقاضای زیادی داشته است. دلیل اینکه به عنوان "مورد علاقه" در زمینه سلول های خورشیدی ظاهر شده است به دلیل شرایط منحصر به فرد آن است. سنگ معدن تیتانیوم کلسیم دارای خواص فتوولتائیک بسیار عالی، فرآیند آماده سازی ساده و طیف وسیعی از مواد خام و محتوای فراوان است. علاوه بر این، پروسکایت همچنین می تواند در نیروگاه های زمینی، هوانوردی، ساخت و ساز، دستگاه های تولید برق پوشیدنی و بسیاری از زمینه های دیگر استفاده شود.
در 21 مارس، Ningde Times برای ثبت اختراع "سلول خورشیدی تیتانیت کلسیم و روش تهیه آن و دستگاه قدرت" درخواست داد. در سال‌های اخیر، با حمایت از سیاست‌ها و اقدامات داخلی، صنعت سنگ معدن کلسیم تیتانیوم که توسط سلول‌های خورشیدی سنگ کلسیم-تیتانیوم نشان داده می‌شود، پیشرفت‌های زیادی داشته است. پس پروسکایت چیست؟ صنعتی شدن پروسکایت چگونه است؟ هنوز با چه چالش هایی روبرو هستیم؟ خبرنگار علم و فناوری دیلی با کارشناسان مربوطه مصاحبه کرد.

پروسکایت نه کلسیم است و نه تیتانیوم.

به اصطلاح پروسکایت ها نه کلسیم هستند و نه تیتانیوم، بلکه یک اصطلاح عمومی برای کلاسی از "اکسیدهای سرامیکی" با ساختار کریستالی یکسان، با فرمول مولکولی ABX3 هستند. A مخفف "کاتیون با شعاع بزرگ"، B برای "کاتیون فلز" و X برای "آنیون هالوژن". A مخفف "کاتیون با شعاع بزرگ"، B مخفف "کاتیون فلز" و X مخفف "آنیون هالوژن" است. این سه یون می توانند از طریق چیدمان عناصر مختلف یا با تنظیم فاصله بین آنها خواص فیزیکی شگفت انگیزی از خود نشان دهند که شامل عایق بودن، فروالکتریکی، ضد فرومغناطیس، اثر مغناطیسی غول پیکر و غیره می شود.
با توجه به ترکیب عنصری این ماده، پروسکایت ها را می توان به طور تقریبی به سه دسته تقسیم کرد: پروسکیت های اکسید فلزی پیچیده، پروسکایت های هیبرید آلی و پروسکایت هالوژنه غیر آلی. لو جینگشان، استاد دانشکده اطلاعات الکترونیکی و مهندسی نوری دانشگاه نانکای، معرفی کرد که تیتانیت های کلسیمی که اکنون در فتوولتائیک ها استفاده می شوند معمولاً دو مورد آخر هستند.
پروسکایت را می توان در بسیاری از زمینه ها مانند نیروگاه های زمینی، هوافضا، ساخت و ساز و دستگاه های تولید برق پوشیدنی استفاده کرد. در میان آنها میدان فتوولتائیک، حوزه اصلی کاربرد پروسکایت است. سازه های تیتانیت کلسیمی بسیار قابل طراحی هستند و عملکرد فتوولتائیک بسیار خوبی دارند که در سال های اخیر یک جهت تحقیقاتی محبوب در زمینه فتوولتائیک است.
صنعتی شدن پروسکایت در حال سرعت گرفتن است و شرکت های داخلی برای طرح بندی با هم رقابت می کنند. گزارش شده است که اولین 5000 قطعه ماژول سنگ معدن کلسیم تیتانیوم از Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd. Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. همچنین در حال تسریع ساخت بزرگترین خط آزمایشی 150 مگاواتی با سنگ معدن تیتانیوم کامل کلسیم در جهان است. Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. خط تولید ماژول فتوولتائیک سنگ معدن کلسیم-تیتانیوم 150 مگاواتی در دسامبر 2022 تکمیل و به بهره برداری رسیده است و ارزش خروجی سالانه پس از رسیدن به تولید می تواند به 300 میلیون یوان برسد.

سنگ معدن کلسیم تیتانیوم مزایای آشکاری در صنعت فتوولتائیک دارد

در صنعت فتوولتائیک، پروسکایت در سال های اخیر تقاضای زیادی داشته است. دلیل اینکه آن به عنوان "مورد علاقه" در زمینه سلول های خورشیدی ظاهر شده است به دلیل شرایط منحصر به فرد خود است.
اولاً، پروسکایت دارای خواص نوری بسیار عالی است، مانند شکاف باند قابل تنظیم، ضریب جذب بالا، انرژی اتصال اکسایتون کم، تحرک حامل بالا، تحمل نقص بالا و غیره. ثانیاً، فرآیند تهیه پروسکایت ساده است و می تواند به شفافیت، فوق العاده سبک، فوق العاده نازک، انعطاف پذیری و غیره دست یابد. در نهایت، مواد اولیه پروسکایت به طور گسترده در دسترس و فراوان هستند. لو جینگشان معرفی کرد. و تهیه پروسکایت نیز به خلوص نسبتاً کم مواد اولیه نیاز دارد.
در حال حاضر، میدان PV از تعداد زیادی سلول خورشیدی مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌کند که می‌توان آن‌ها را به سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی، سیلیکون پلی کریستالی و سلول‌های خورشیدی سیلیکونی آمورف تقسیم کرد. قطب تبدیل فوتوالکتریک نظری سلول های سیلیکونی کریستالی 29.4٪ است و محیط آزمایشگاه فعلی می تواند حداکثر به 26.7٪ برسد که بسیار نزدیک به سقف تبدیل است. قابل پیش بینی است که سود نهایی پیشرفت فناوری نیز کمتر و کمتر خواهد شد. در مقابل، راندمان تبدیل فتوولتائیک سلول‌های پروسکایت دارای مقدار قطب نظری بالاتری برابر با 33 درصد است و اگر دو سلول پروسکایت با هم بالا و پایین قرار گیرند، بازده تبدیل نظری می‌تواند به 45 درصد برسد.
علاوه بر «کارایی»، عامل مهم دیگر «هزینه» است. به عنوان مثال، دلیل کاهش هزینه نسل اول باتری های لایه نازک این است که ذخایر کادمیوم و گالیوم که عناصر کمیاب روی زمین هستند، بسیار کم است و در نتیجه، صنعت توسعه یافته تر می شود. این است که هر چه تقاضا بیشتر باشد، هزینه تولید بالاتر است و هرگز نتوانسته است به یک محصول اصلی تبدیل شود. مواد اولیه پروسکایت به مقدار زیاد روی زمین توزیع می شود و قیمت آن نیز بسیار ارزان است.
علاوه بر این، ضخامت پوشش سنگ معدن کلسیم-تیتانیوم برای باتری های سنگ معدن کلسیم-تیتانیوم تنها چند صد نانومتر است، یعنی حدود 1/500 ضخامت ویفرهای سیلیکونی، به این معنی که تقاضا برای این ماده بسیار کم است. به عنوان مثال، تقاضای جهانی فعلی برای مواد سیلیکونی برای سلول های سیلیکونی کریستالی حدود 500000 تن در سال است و اگر همه آنها با سلول های پروسکایت جایگزین شوند، تنها حدود 1000 تن پروسکایت مورد نیاز خواهد بود.
از نظر هزینه‌های ساخت، سلول‌های سیلیکونی کریستالی نیاز به تصفیه سیلیکون تا 99.9999 درصد دارند، بنابراین سیلیکون باید تا 1400 درجه سانتی‌گراد گرم شود، به مایع ذوب شود، به شکل میله‌ها و برش‌های گرد کشیده شود و سپس در سلول‌هایی با حداقل چهار کارخانه و دو واحد مونتاژ شود. بین سه روز و مصرف انرژی بیشتر. در مقابل، برای تولید سلول های پروسکایت، تنها لازم است که مایع پایه پروسکایت را روی بستر بمالید و سپس منتظر کریستالیزاسیون باشید. کل فرآیند فقط شامل شیشه، فیلم چسب، پروسکایت و مواد شیمیایی است و می تواند در یک کارخانه تکمیل شود و کل فرآیند فقط حدود 45 دقیقه طول می کشد.
سلول‌های خورشیدی تهیه‌شده از پروسکایت دارای راندمان تبدیل فوتوالکتریک عالی هستند که در این مرحله به 25.7 درصد رسیده است و ممکن است در آینده جایگزین سلول‌های خورشیدی سنتی مبتنی بر سیلیکون شوند تا به جریان اصلی تجاری تبدیل شوند. لو جینگشان گفت.
برای ارتقای صنعتی شدن سه مشکل اساسی وجود دارد که باید حل شود

در پیشبرد صنعتی شدن کالکوسیت، مردم هنوز باید 3 مشکل را حل کنند، یعنی پایداری طولانی مدت کالکوسیت، آماده سازی سطح وسیع و سمی بودن سرب.
اول اینکه پروسکایت به محیط بسیار حساس است و عواملی مانند دما، رطوبت، نور و بار مدار می تواند منجر به تجزیه پروسکایت و کاهش کارایی سلول شود. در حال حاضر اکثر ماژول‌های پروسکایت آزمایشگاهی استاندارد بین‌المللی IEC 61215 برای محصولات فتوولتائیک را برآورده نمی‌کنند، و همچنین به طول عمر 10 تا 20 ساله سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نمی‌رسند، بنابراین هزینه پروسکایت هنوز در زمینه فتوولتائیک سنتی سودمند نیست. علاوه بر این، مکانیسم تخریب پروسکایت و دستگاه‌های آن بسیار پیچیده است، و درک بسیار روشنی از فرآیند در این زمینه وجود ندارد، و همچنین یک استاندارد کمی واحد وجود ندارد، که برای تحقیقات پایداری مضر است.
مسئله مهم دیگر نحوه تهیه آنها در مقیاس بزرگ است. در حال حاضر، زمانی که مطالعات بهینه سازی دستگاه در آزمایشگاه انجام می شود، سطح نور موثر دستگاه های مورد استفاده معمولا کمتر از 1 سانتی متر مربع است و زمانی که به مرحله کاربرد تجاری قطعات در مقیاس بزرگ می رسد، روش های آماده سازی آزمایشگاهی نیاز به بهبود دارد. یا جایگزین شده است. روش های اصلی که در حال حاضر برای تهیه فیلم های پروسکایتی با مساحت بزرگ قابل استفاده هستند، روش محلول و روش تبخیر خلاء هستند. در روش محلول، غلظت و نسبت محلول پیش ساز، نوع حلال و زمان نگهداری تاثیر زیادی در کیفیت فیلم های پروسکایت دارد. روش تبخیر خلاء لایه‌های پروسکایتی را با کیفیت خوب و قابل کنترل آماده می‌کند، اما باز هم دستیابی به تماس خوب بین پیش‌سازها و بسترها دشوار است. علاوه بر این، به دلیل اینکه لایه انتقال بار دستگاه پروسکایت نیز نیاز به آماده سازی در سطح وسیعی دارد، لازم است خط تولید با رسوب مداوم هر لایه در تولید صنعتی ایجاد شود. به طور کلی، فرآیند تهیه لایه‌های نازک پروسکایت در سطح وسیع هنوز به بهینه‌سازی بیشتر نیاز دارد.
در نهایت، سمیت سرب نیز موضوعی نگران کننده است. در طول فرآیند پیری دستگاه‌های پروسکایتی با راندمان بالا، پروسکایت برای تولید یون‌های سرب آزاد و مونومرهای سرب تجزیه می‌شود که پس از ورود به بدن انسان برای سلامتی خطرناک خواهند بود.
Luo Jingshan معتقد است که مشکلاتی مانند پایداری را می توان با بسته بندی دستگاه حل کرد. "اگر در آینده، این دو مشکل حل شود، یک فرآیند آماده سازی بالغ نیز وجود دارد، همچنین می توان دستگاه های پروسکایت را به شیشه نیمه شفاف تبدیل کرد یا روی سطح ساختمان ها برای دستیابی به یکپارچگی ساختمان های فتوولتائیک انجام داد، یا به دستگاه های انعطاف پذیر تاشو برای هوا و فضا تبدیل کرد. زمینه های دیگر، به طوری که پروسکایت در فضای بدون آب و محیط اکسیژن بیشترین نقش را ایفا کند. لو جینگشان در مورد آینده پروسکایت مطمئن است.