Nel settore fotovoltaico, la perovskite è stata molto richiesta negli ultimi anni. Il motivo per cui è emerso come il “favorito” nel campo delle celle solari è dovuto alle sue condizioni uniche. Il minerale di calcio titanio ha molte eccellenti proprietà fotovoltaiche, un processo di preparazione semplice e un'ampia gamma di materie prime e contenuti abbondanti. Inoltre, la perovskite può essere utilizzata anche nelle centrali elettriche di terra, nell’aviazione, nell’edilizia, nei dispositivi indossabili per la generazione di energia e in molti altri campi.
Il 21 marzo, il Ningde Times ha richiesto il brevetto della “cella solare alla titanite di calcio e del suo metodo di preparazione e dispositivo di alimentazione”. Negli ultimi anni, con il sostegno di politiche e misure nazionali, l’industria del minerale di calcio-titanio, rappresentata dalle celle solari minerali di calcio-titanio, ha fatto grandi passi avanti. Allora cos'è la perovskite? Come avviene l'industrializzazione della perovskite? Quali sfide stanno ancora affrontando? Il giornalista del Science and Technology Daily ha intervistato gli esperti del settore.
La perovskite non è né calcio né titanio.
Le cosiddette perovskiti non sono né calcio né titanio, ma un termine generico per una classe di “ossidi ceramici” con la stessa struttura cristallina, con formula molecolare ABX3. A sta per “catione a raggio ampio”, B per “catione metallico” e X per “anione alogeno”. A sta per “catione a raggio ampio”, B sta per “catione metallico” e X sta per “anione alogeno”. Questi tre ioni possono esibire molte proprietà fisiche sorprendenti attraverso la disposizione di diversi elementi o regolando la distanza tra loro, inclusi ma non limitati a isolamento, ferroelettricità, antiferromagnetismo, effetto magnetico gigante, ecc.
"Secondo la composizione elementare del materiale, le perovskiti possono essere approssimativamente divise in tre categorie: perovskiti complesse di ossidi metallici, perovskiti ibride organiche e perovskiti alogenate inorganiche." Luo Jingshan, professore alla Scuola di informazione elettronica e ingegneria ottica dell'Università di Nankai, ha introdotto che le titaniti di calcio ora utilizzate nel fotovoltaico sono solitamente le ultime due.
la perovskite può essere utilizzata in molti campi come le centrali elettriche terrestri, l'aerospaziale, l'edilizia e i dispositivi indossabili per la generazione di energia. Tra questi, il campo fotovoltaico è il principale ambito di applicazione della perovskite. Le strutture di titanite di calcio sono altamente progettabili e hanno ottime prestazioni fotovoltaiche, che è una direzione di ricerca popolare nel campo fotovoltaico negli ultimi anni.
L'industrializzazione della perovskite sta accelerando e le imprese nazionali competono per il layout. È stato riferito che i primi 5.000 pezzi di moduli di minerale di calcio titanio spediti da Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. sta inoltre accelerando la costruzione della più grande linea pilota al mondo da 150 MW interamente laminata con minerale di calcio e titanio; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. La linea di produzione di moduli fotovoltaici con minerale di calcio-titanio da 150 MW è stata completata e messa in funzione nel dicembre 2022 e il valore della produzione annuale può raggiungere 300 milioni di yuan dopo aver raggiunto la produzione.
Il minerale di calcio e titanio presenta evidenti vantaggi nell'industria fotovoltaica
Nel settore fotovoltaico, la perovskite è stata molto richiesta negli ultimi anni. Il motivo per cui è emerso come il “favorito” nel campo delle celle solari è dovuto alle sue condizioni uniche.
“In primo luogo, la perovskite ha numerose eccellenti proprietà optoelettroniche, come banda proibita regolabile, elevato coefficiente di assorbimento, bassa energia legante gli eccitoni, elevata mobilità dei portatori, elevata tolleranza ai difetti, ecc.; in secondo luogo, il processo di preparazione della perovskite è semplice e può raggiungere traslucenza, ultraleggerezza, ultrasottile, flessibilità, ecc. Infine, le materie prime della perovskite sono ampiamente disponibili e abbondanti. Luo Jingshan ha introdotto. E la preparazione della perovskite richiede anche una purezza relativamente bassa delle materie prime.
Attualmente, il campo fotovoltaico utilizza un gran numero di celle solari a base di silicio, che possono essere suddivise in celle solari in silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo. Il polo di conversione fotoelettrico teorico delle celle di silicio cristallino è del 29,4%, e l'attuale ambiente di laboratorio può raggiungere un massimo del 26,7%, che è molto vicino al limite massimo di conversione; è prevedibile che anche il guadagno marginale derivante dal miglioramento tecnologico diventerà sempre più piccolo. Al contrario, l’efficienza di conversione fotovoltaica delle celle di perovskite ha un valore polare teorico più alto del 33%, e se due celle di perovskite vengono impilate su e giù insieme, l’efficienza di conversione teorica può raggiungere il 45%.
Oltre all’“efficienza”, un altro fattore importante è il “costo”. Ad esempio, il motivo per cui il costo della prima generazione di batterie a film sottile non può scendere è che le riserve di cadmio e gallio, che sono elementi rari sulla terra, sono troppo piccole e, di conseguenza, più il settore è sviluppato maggiore è la domanda, maggiore è il costo di produzione e non è mai riuscito a diventare un prodotto mainstream. Le materie prime della perovskite sono distribuite in grandi quantità sulla terra e anche il prezzo è molto economico.
Inoltre, lo spessore del rivestimento del minerale di calcio-titanio per le batterie di minerale di calcio-titanio è solo di poche centinaia di nanometri, circa 1/500 di quello dei wafer di silicio, il che significa che la richiesta del materiale è molto ridotta. Ad esempio, l’attuale domanda globale di materiale di silicio per celle di silicio cristallino è di circa 500.000 tonnellate all’anno e, se tutte queste venissero sostituite con celle di perovskite, sarebbero necessarie solo circa 1.000 tonnellate di perovskite.
In termini di costi di produzione, le celle di silicio cristallino richiedono una purificazione del silicio al 99,9999%, quindi il silicio deve essere riscaldato a 1400 gradi Celsius, fuso in un liquido, disegnato in barre e fette rotonde e quindi assemblato in celle, con almeno quattro stabilimenti e due a tre giorni intermedi e un maggiore consumo di energia. Al contrario, per la produzione di cellule di perovskite, è solo necessario applicare il liquido a base di perovskite sul substrato e quindi attendere la cristallizzazione. L'intero processo coinvolge solo vetro, pellicola adesiva, perovskite e materiali chimici e può essere completato in un unico stabilimento e richiede solo circa 45 minuti.
“Le celle solari preparate dalla perovskite hanno un’eccellente efficienza di conversione fotoelettrica, che in questa fase ha raggiunto il 25,7%, e in futuro potrebbero sostituire le tradizionali celle solari a base di silicio per diventare la corrente commerciale principale”. Luo Jingshan ha detto.
Ci sono tre problemi principali che devono essere risolti per promuovere l’industrializzazione
Nel far avanzare l'industrializzazione della calcocite, le persone devono ancora risolvere 3 problemi, vale a dire la stabilità a lungo termine della calcocite, la preparazione di un'ampia area e la tossicità del piombo.
Innanzitutto, la perovskite è molto sensibile all’ambiente e fattori quali temperatura, umidità, luce e carico del circuito possono portare alla decomposizione della perovskite e alla riduzione dell’efficienza della cella. Attualmente la maggior parte dei moduli di perovskite da laboratorio non soddisfa lo standard internazionale IEC 61215 per i prodotti fotovoltaici, né raggiunge la durata di 10-20 anni delle celle solari in silicio, quindi il costo della perovskite non è ancora vantaggioso nel campo fotovoltaico tradizionale. Inoltre, il meccanismo di degradazione della perovskite e dei suoi dispositivi è molto complesso e non esiste una comprensione molto chiara del processo sul campo, né esiste uno standard quantitativo unificato, il che è dannoso per la ricerca sulla stabilità.
Un altro problema importante è come prepararli su larga scala. Attualmente, quando gli studi di ottimizzazione dei dispositivi vengono eseguiti in laboratorio, l'area luminosa effettiva dei dispositivi utilizzati è solitamente inferiore a 1 cm2 e quando si tratta della fase di applicazione commerciale di componenti su larga scala, i metodi di preparazione del laboratorio devono essere migliorati o sostituito. I principali metodi attualmente applicabili alla preparazione di film di perovskite di grandi dimensioni sono il metodo della soluzione e il metodo dell'evaporazione sotto vuoto. Nel metodo in soluzione, la concentrazione e il rapporto della soluzione del precursore, il tipo di solvente e il tempo di conservazione hanno un grande impatto sulla qualità dei film di perovskite. Il metodo di evaporazione sotto vuoto prepara una deposizione controllabile e di buona qualità di film di perovskite, ma ancora una volta è difficile ottenere un buon contatto tra precursori e substrati. Inoltre, poiché anche lo strato di trasporto della carica del dispositivo di perovskite deve essere preparato su una vasta area, nella produzione industriale è necessario creare una linea di produzione con deposizione continua di ogni strato. Nel complesso, il processo di preparazione su vasta area dei film sottili di perovskite necessita ancora di ulteriore ottimizzazione.
Infine, anche la tossicità del piombo è motivo di preoccupazione. Durante il processo di invecchiamento degli attuali dispositivi a base di perovskite ad alta efficienza, la perovskite si decompone producendo ioni di piombo liberi e monomeri di piombo, che saranno pericolosi per la salute una volta entrati nel corpo umano.
Luo Jingshan ritiene che problemi come la stabilità possano essere risolti con l'imballaggio del dispositivo. “Se in futuro questi due problemi verranno risolti, esiste anche un processo di preparazione maturo, che potrebbe anche trasformare i dispositivi in perovskite in vetro traslucido o applicarli sulla superficie degli edifici per ottenere l’integrazione degli edifici fotovoltaici, o trasformarli in dispositivi flessibili e pieghevoli per il settore aerospaziale e altri campi, in modo che la perovskite nello spazio senza acqua e ossigeno possa svolgere il massimo ruolo”. Luo Jingshan è fiducioso sul futuro della perovskite.
Orario di pubblicazione: 15 aprile 2023