Na indústria fotovoltaica, a perovskita tem sido muito procurada nos últimos anos.A razão pela qual emergiu como o “favorito” no campo das células solares é devido às suas condições únicas.O minério de cálcio e titânio possui excelentes propriedades fotovoltaicas, processo de preparação simples e uma ampla gama de matérias-primas e conteúdo abundante.Além disso, a perovskita também pode ser usada em usinas terrestres, aviação, construção, dispositivos vestíveis de geração de energia e muitos outros campos.
Em 21 de março, o Ningde Times solicitou a patente de “célula solar de titanita de cálcio e seu método de preparação e dispositivo de energia”.Nos últimos anos, com o apoio de políticas e medidas nacionais, a indústria de minério de cálcio-titânio, representada pelas células solares de minério de cálcio-titânio, fez grandes avanços.Então, o que é perovskita?Como está a industrialização da perovskita?Que desafios ainda enfrentamos?Ciência e Tecnologia repórter Daily entrevistou os especialistas relevantes.
A perovskita não é cálcio nem titânio.
As chamadas perovskitas não são nem cálcio nem titânio, mas um termo genérico para uma classe de “óxidos cerâmicos” com a mesma estrutura cristalina, com fórmula molecular ABX3.A significa “cátion de raio grande”, B significa “cátion metálico” e X significa “ânion halogênio”.A significa “cátion de raio grande”, B significa “cátion metálico” e X significa “ânion halogênio”.Esses três íons podem exibir muitas propriedades físicas surpreendentes através do arranjo de diferentes elementos ou ajustando a distância entre eles, incluindo, entre outros, isolamento, ferroeletricidade, antiferromagnetismo, efeito magnético gigante, etc.
“De acordo com a composição elementar do material, as perovskitas podem ser divididas em três categorias: perovskitas complexas de óxido metálico, perovskitas híbridas orgânicas e perovskitas halogenadas inorgânicas.”Luo Jingshan, professor da Escola de Informação Eletrônica e Engenharia Óptica da Universidade Nankai, apresentou que os titanitos de cálcio agora usados em energia fotovoltaica são geralmente os dois últimos.
A perovskita pode ser usada em muitos campos, como usinas terrestres, aeroespacial, construção e dispositivos vestíveis de geração de energia.Entre eles, o campo fotovoltaico é a principal área de aplicação da perovskita.As estruturas de titanita de cálcio são altamente projetáveis e têm desempenho fotovoltaico muito bom, que é uma direção de pesquisa popular no campo fotovoltaico nos últimos anos.
A industrialização da perovskita está se acelerando e as empresas nacionais competem pelo layout.É relatado que as primeiras 5.000 peças de módulos de minério de cálcio e titânio foram enviadas da Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd;também está acelerando a construção da maior linha piloto laminada de minério de cálcio e titânio de 150 MW do mundo;A linha de produção de módulos fotovoltaicos de minério de cálcio-titânio de 150 MW foi concluída e colocada em operação em dezembro de 2022, e o valor da produção anual pode chegar a 300 milhões de yuans após atingir a produção.
O minério de cálcio e titânio tem vantagens óbvias na indústria fotovoltaica
Na indústria fotovoltaica, a perovskita tem sido muito procurada nos últimos anos.A razão pela qual emergiu como o “favorito” no campo das células solares é devido às suas condições únicas.
“Em primeiro lugar, a perovskita possui inúmeras propriedades optoeletrônicas excelentes, como intervalo de banda ajustável, alto coeficiente de absorção, baixa energia de ligação de excitons, alta mobilidade de portadores, alta tolerância a defeitos, etc.;em segundo lugar, o processo de preparação da perovskita é simples e pode atingir translucidez, ultraleve, ultrafino, flexibilidade, etc. Finalmente, as matérias-primas da perovskita estão amplamente disponíveis e são abundantes.Luo Jingshan apresentou.E a preparação da perovskita também requer pureza relativamente baixa das matérias-primas.
Atualmente, o campo fotovoltaico utiliza um grande número de células solares à base de silício, que podem ser divididas em silício monocristalino, silício policristalino e células solares de silício amorfo.O pólo teórico de conversão fotoelétrica das células de silício cristalino é de 29,4%, e o atual ambiente de laboratório pode atingir no máximo 26,7%, o que está muito próximo do teto de conversão;é previsível que o ganho marginal da melhoria tecnológica também se torne cada vez menor.Em contraste, a eficiência de conversão fotovoltaica das células de perovskita tem um valor de pólo teórico mais alto de 33%, e se duas células de perovskita forem empilhadas juntas, a eficiência de conversão teórica pode chegar a 45%.
Além da “eficiência”, outro fator importante é o “custo”.Por exemplo, a razão pela qual o custo da primeira geração de baterias de película fina não pode diminuir é que as reservas de cádmio e gálio, que são elementos raros na Terra, são demasiado pequenas e, como resultado, quanto mais desenvolvida for a indústria isto é, quanto maior a demanda, maior o custo de produção, e nunca foi capaz de se tornar um produto convencional.As matérias-primas da perovskita são distribuídas em grandes quantidades no planeta e o preço também é muito barato.
Além disso, a espessura do revestimento de minério de cálcio-titânio para baterias de minério de cálcio-titânio é de apenas algumas centenas de nanômetros, cerca de 1/500 da espessura dos wafers de silício, o que significa que a demanda pelo material é muito pequena.Por exemplo, a actual procura global de material de silício para células de silício cristalino é de cerca de 500.000 toneladas por ano, e se todas elas forem substituídas por células de perovskita, serão necessárias apenas cerca de 1.000 toneladas de perovskita.
Em termos de custos de fabricação, as células de silício cristalino requerem purificação de silício a 99,9999%, então o silício deve ser aquecido a 1400 graus Celsius, derretido em líquido, transformado em hastes redondas e fatias e depois montado em células, com pelo menos quatro fábricas e duas até três dias de intervalo e maior consumo de energia.Em contrapartida, para a produção de células de perovskita, basta aplicar o líquido base de perovskita no substrato e aguardar a cristalização.Todo o processo envolve apenas vidro, filme adesivo, perovskita e materiais químicos, e pode ser concluído em uma fábrica, e todo o processo leva apenas cerca de 45 minutos.
“As células solares preparadas a partir de perovskita têm excelente eficiência de conversão fotoelétrica, que atingiu 25,7% nesta fase, e podem substituir as células solares tradicionais à base de silício no futuro para se tornarem o mainstream comercial.”Luo Jingshan disse.
Existem três problemas principais que precisam ser resolvidos para promover a industrialização
Ao avançar na industrialização da calcocite, as pessoas ainda precisam de resolver 3 problemas, nomeadamente a estabilidade a longo prazo da calcocite, a preparação de grandes áreas e a toxicidade do chumbo.
Primeiro, a perovskita é muito sensível ao meio ambiente, e fatores como temperatura, umidade, luz e carga do circuito podem levar à decomposição da perovskita e à redução da eficiência celular.Atualmente, a maioria dos módulos de perovskita de laboratório não atendem ao padrão internacional IEC 61215 para produtos fotovoltaicos, nem atingem a vida útil de 10 a 20 anos das células solares de silício, portanto, o custo da perovskita ainda não é vantajoso no campo fotovoltaico tradicional.Além disso, o mecanismo de degradação da perovskita e seus dispositivos é muito complexo e não há uma compreensão muito clara do processo em campo, nem existe um padrão quantitativo unificado, o que é prejudicial à pesquisa de estabilidade.
Outra questão importante é como prepará-los em larga escala.Atualmente, quando estudos de otimização de dispositivos são realizados em laboratório, a área de luz efetiva dos dispositivos utilizados é geralmente inferior a 1 cm2, e quando se trata da fase de aplicação comercial de componentes em larga escala, os métodos de preparação laboratorial precisam ser melhorados. ou substituído.Os principais métodos atualmente aplicáveis à preparação de filmes de perovskita de grandes áreas são o método de solução e o método de evaporação a vácuo.No método de solução, a concentração e proporção da solução precursora, o tipo de solvente e o tempo de armazenamento têm grande impacto na qualidade dos filmes de perovskita.O método de evaporação a vácuo prepara uma deposição controlável e de boa qualidade de filmes de perovskita, mas é novamente difícil conseguir um bom contato entre precursores e substratos.Além disso, como a camada de transporte de carga do dispositivo de perovskita também precisa ser preparada em uma grande área, é necessário estabelecer uma linha de produção com deposição contínua de cada camada na produção industrial.No geral, o processo de preparação de filmes finos de perovskita em grandes áreas ainda precisa de maior otimização.
Finalmente, a toxicidade do chumbo também é motivo de preocupação.Durante o processo de envelhecimento dos atuais dispositivos de perovskita de alta eficiência, a perovskita se decomporá para produzir íons de chumbo livres e monômeros de chumbo, que serão perigosos para a saúde quando entrarem no corpo humano.
Luo Jingshan acredita que problemas como estabilidade podem ser resolvidos pela embalagem do dispositivo.“Se no futuro esses dois problemas forem resolvidos, haverá também um processo de preparação maduro, também poderá transformar dispositivos de perovskita em vidro translúcido ou na superfície de edifícios para obter integração fotovoltaica em edifícios, ou transformados em dispositivos dobráveis flexíveis para a indústria aeroespacial e outros campos, para que a perovskita no espaço sem ambiente de água e oxigênio desempenhe um papel máximo.”Luo Jingshan está confiante quanto ao futuro da perovskita.
Horário da postagem: 15 de abril de 2023