In der Photovoltaikindustrie erfreut sich Perowskit in den letzten Jahren einer starken Nachfrage.Der Grund, warum es sich zum „Favoriten“ auf dem Gebiet der Solarzellen entwickelt hat, sind seine einzigartigen Bedingungen.Calciumtitanerz verfügt über viele hervorragende photovoltaische Eigenschaften, einen einfachen Herstellungsprozess sowie eine breite Palette an Rohstoffen und reichlich Inhalt.Darüber hinaus kann Perowskit auch in Bodenkraftwerken, in der Luftfahrt, im Baugewerbe, in tragbaren Stromerzeugungsgeräten und in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden.
Am 21. März meldete die Ningde Times das Patent für eine „Kalziumtitanit-Solarzelle sowie deren Herstellungsverfahren und Energievorrichtung“ an.In den letzten Jahren hat die Kalzium-Titan-Erz-Industrie, vertreten durch Kalzium-Titan-Erz-Solarzellen, mit Unterstützung inländischer Politik und Maßnahmen große Fortschritte gemacht.Was ist Perowskit?Wie verläuft die Industrialisierung von Perowskit?Welche Herausforderungen stehen noch bevor?Der Reporter von Science and Technology Daily interviewte die relevanten Experten.
Perowskit ist weder Kalzium noch Titan.
Bei den sogenannten Perowskiten handelt es sich weder um Kalzium noch um Titan, sondern um einen Oberbegriff für eine Klasse von „Keramikoxiden“ mit gleicher Kristallstruktur, mit der Summenformel ABX3.A steht für „großes Radiuskation“, B für „Metallkation“ und X für „Halogenanion“.A steht für „großes Radiuskation“, B steht für „Metallkation“ und X steht für „Halogenanion“.Diese drei Ionen können durch die Anordnung verschiedener Elemente oder durch die Anpassung des Abstands zwischen ihnen viele erstaunliche physikalische Eigenschaften aufweisen, darunter unter anderem Isolierung, Ferroelektrizität, Antiferromagnetismus, Riesenmagneteffekt usw.
„Entsprechend der elementaren Zusammensetzung des Materials können Perowskite grob in drei Kategorien eingeteilt werden: komplexe Metalloxid-Perowskite, organische Hybrid-Perowskite und anorganische halogenierte Perowskite.“Luo Jingshan, Professor an der School of Electronic Information and Optical Engineering der Nankai University, stellte vor, dass es sich bei den heute in der Photovoltaik verwendeten Calciumtitaniten in der Regel um die beiden letzteren handelt.
Perowskit kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in terrestrischen Kraftwerken, in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen und bei tragbaren Stromerzeugungsgeräten.Unter diesen ist der Photovoltaikbereich das Hauptanwendungsgebiet von Perowskit.Calciumtitanit-Strukturen sind sehr gestaltbar und weisen eine sehr gute Photovoltaikleistung auf, was in den letzten Jahren eine beliebte Forschungsrichtung im Photovoltaikbereich ist.
Die Industrialisierung von Perowskit beschleunigt sich und inländische Unternehmen konkurrieren um die Auslegung.Es wird berichtet, dass die ersten 5.000 Stück Kalzium-Titan-Erz-Module von Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd. versandt wurden;Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. treibt außerdem den Bau der weltweit größten 150-MW-Pilotanlage mit Vollkalzium-Titan-Erz-Laminat voran;Die 150-MW-Produktionslinie für Kalzium-Titan-Erz-Photovoltaikmodule von Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. wurde im Dezember 2022 fertiggestellt und in Betrieb genommen. Der jährliche Produktionswert kann nach Erreichen der Produktion 300 Millionen Yuan erreichen.
Calciumtitanerz hat offensichtliche Vorteile in der Photovoltaikindustrie
In der Photovoltaikindustrie erfreut sich Perowskit in den letzten Jahren einer starken Nachfrage.Der Grund, warum es sich zum „Favoriten“ auf dem Gebiet der Solarzellen entwickelt hat, sind seine ganz besonderen Bedingungen.
„Erstens verfügt Perowskit über zahlreiche hervorragende optoelektronische Eigenschaften, wie etwa eine einstellbare Bandlücke, einen hohen Absorptionskoeffizienten, eine niedrige Exzitonenbindungsenergie, eine hohe Ladungsträgermobilität, eine hohe Defekttoleranz usw.;Zweitens ist der Herstellungsprozess von Perowskit einfach und kann Transluzenz, Ultraleichtheit, Ultradünnheit, Flexibilität usw. erreichen. Schließlich sind Perowskit-Rohstoffe weit verbreitet und reichlich vorhanden.“Luo Jingshan stellte sich vor.Und auch die Herstellung von Perowskit erfordert eine relativ geringe Reinheit der Rohstoffe.
Derzeit werden im PV-Bereich eine große Anzahl von Solarzellen auf Siliziumbasis verwendet, die in monokristalline Silizium-, polykristalline Silizium- und amorphe Silizium-Solarzellen unterteilt werden können.Der theoretische photoelektrische Umwandlungspol von kristallinen Siliziumzellen beträgt 29,4 %, und die aktuelle Laborumgebung kann ein Maximum von 26,7 % erreichen, was sehr nahe an der Obergrenze der Umwandlung liegt;Es ist absehbar, dass auch der marginale Gewinn technologischer Verbesserungen immer geringer wird.Im Gegensatz dazu hat der photovoltaische Umwandlungswirkungsgrad von Perowskit-Zellen einen höheren theoretischen Polwert von 33 %, und wenn zwei Perowskit-Zellen auf und ab gestapelt werden, kann der theoretische Umwandlungswirkungsgrad 45 % erreichen.
Neben der „Effizienz“ sind auch die „Kosten“ ein wichtiger Faktor.Der Grund dafür, dass die Kosten für die erste Generation von Dünnschichtbatterien nicht gesenkt werden können, liegt beispielsweise daran, dass die Reserven an Cadmium und Gallium, die auf der Erde seltene Elemente sind, zu gering sind und die Industrie daher immer weiter entwickelt ist Das heißt, je größer die Nachfrage, desto höher die Produktionskosten, und es war nie in der Lage, ein Mainstream-Produkt zu werden.Der Rohstoff Perowskit ist in großen Mengen auf der Erde verteilt und auch der Preis ist sehr günstig.
Darüber hinaus beträgt die Dicke der Calcium-Titan-Erz-Beschichtung für Calcium-Titan-Erz-Batterien nur wenige hundert Nanometer, etwa 1/500 der Dicke von Siliziumwafern, was bedeutet, dass die Nachfrage nach dem Material sehr gering ist.Beispielsweise beträgt der aktuelle weltweite Bedarf an Siliziummaterial für kristalline Siliziumzellen etwa 500.000 Tonnen pro Jahr, und wenn alle durch Perowskitzellen ersetzt werden, werden nur etwa 1.000 Tonnen Perowskit benötigt.
Im Hinblick auf die Herstellungskosten erfordern kristalline Siliziumzellen eine Siliziumreinigung von 99,9999 %, sodass Silizium auf 1400 Grad Celsius erhitzt, zu einer Flüssigkeit geschmolzen, in runde Stäbe und Scheiben gezogen und dann zu Zellen zusammengesetzt werden muss, wobei mindestens vier Fabriken und zwei erforderlich sind bis zu drei Tage dazwischen und höherer Energieverbrauch.Im Gegensatz dazu ist es für die Herstellung von Perowskit-Zellen lediglich erforderlich, die Perowskit-Basisflüssigkeit auf das Substrat aufzutragen und dann die Kristallisation abzuwarten.Der gesamte Prozess erfordert nur Glas, Klebefolie, Perowskit und chemische Materialien und kann in einer Fabrik durchgeführt werden. Der gesamte Prozess dauert nur etwa 45 Minuten.
„Aus Perowskit hergestellte Solarzellen haben einen hervorragenden photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad, der derzeit 25,7 % erreicht hat, und könnten in Zukunft herkömmliche Solarzellen auf Siliziumbasis ersetzen und zum kommerziellen Mainstream werden.“Sagte Luo Jingshan.
Es gibt drei Hauptprobleme, die gelöst werden müssen, um die Industrialisierung voranzutreiben
Um die Industrialisierung von Chalkosin voranzutreiben, müssen noch drei Probleme gelöst werden, nämlich die Langzeitstabilität von Chalkosin, die großflächige Aufbereitung und die Toxizität von Blei.
Erstens ist Perowskit sehr empfindlich gegenüber der Umgebung und Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht und Schaltkreisbelastung können zur Zersetzung von Perowskit und einer Verringerung der Zelleffizienz führen.Derzeit erfüllen die meisten Perowskit-Labormodule nicht die internationale Norm IEC 61215 für Photovoltaikprodukte und erreichen auch nicht die 10–20-jährige Lebensdauer von Silizium-Solarzellen, sodass die Kosten für Perowskit im traditionellen Photovoltaikbereich immer noch nicht vorteilhaft sind.Darüber hinaus ist der Abbaumechanismus von Perowskit und seinen Bauelementen sehr komplex, und es gibt weder ein klares Verständnis des Prozesses auf diesem Gebiet noch einen einheitlichen quantitativen Standard, was sich nachteilig auf die Stabilitätsforschung auswirkt.
Ein weiteres wichtiges Thema ist die Frage, wie man sie im großen Maßstab vorbereiten kann.Wenn derzeit Geräteoptimierungsstudien im Labor durchgeführt werden, beträgt die effektive Lichtfläche der verwendeten Geräte normalerweise weniger als 1 cm2, und wenn es um die kommerzielle Anwendungsphase von Großkomponenten geht, müssen die Laborvorbereitungsmethoden verbessert werden oder ersetzt.Die derzeit wichtigsten Methoden zur Herstellung großflächiger Perowskitfilme sind die Lösungsmethode und die Vakuumverdampfungsmethode.Bei der Lösungsmethode haben die Konzentration und das Verhältnis der Vorläuferlösung, die Art des Lösungsmittels und die Lagerzeit einen großen Einfluss auf die Qualität der Perowskitfilme.Das Vakuumverdampfungsverfahren ermöglicht eine qualitativ hochwertige und kontrollierbare Abscheidung von Perowskitfilmen, es ist jedoch wiederum schwierig, einen guten Kontakt zwischen Vorläufern und Substraten zu erreichen.Da außerdem die Ladungstransportschicht des Perowskit-Bauelements großflächig vorbereitet werden muss, muss in der industriellen Produktion eine Produktionslinie mit kontinuierlicher Abscheidung jeder Schicht eingerichtet werden.Insgesamt bedarf der Prozess der großflächigen Herstellung von Perowskit-Dünnschichten noch weiterer Optimierung.
Schließlich gibt auch die Toxizität von Blei Anlass zur Sorge.Während des Alterungsprozesses aktueller hocheffizienter Perowskit-Geräte zersetzt sich Perowskit und erzeugt freie Bleiionen und Bleimonomere, die gesundheitsschädlich sind, sobald sie in den menschlichen Körper gelangen.
Luo Jingshan glaubt, dass Probleme wie Stabilität durch Geräteverpackung gelöst werden können.„Wenn diese beiden Probleme in Zukunft gelöst werden, gibt es auch einen ausgereiften Vorbereitungsprozess, mit dem Perowskit-Geräte auch in durchscheinendes Glas umgewandelt oder auf der Oberfläche von Gebäuden angebracht werden können, um eine Photovoltaik-Gebäudeintegration zu erreichen, oder in flexible faltbare Geräte für die Luft- und Raumfahrt usw. umgewandelt zu werden.“ anderen Bereichen, so dass Perowskit im Weltraum ohne Wasser- und Sauerstoffumgebung eine maximale Rolle spielen kann.“Luo Jingshan ist zuversichtlich, was die Zukunft von Perowskit angeht.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. April 2023