У фотаэлектрычнай прамысловасці перовскит карыстаецца вялікім попытам у апошнія гады. Прычына, па якой ён стаў «фаварытам» у галіне сонечных батарэй, заключаецца ў яго унікальных умовах. Кальцыева-тытанавая руда валодае мноствам выдатных фотаэлектрычных уласцівасцей, простым працэсам падрыхтоўкі, а таксама шырокім спектрам сыравіны і багатым утрыманнем. Акрамя таго, перовскит таксама можна выкарыстоўваць у наземных электрастанцыях, авіяцыі, будаўніцтве, носных прыладах для выпрацоўкі электраэнергіі і ў многіх іншых галінах.
21 сакавіка газета Ningde Times падала заяўку на патэнт на «сонечную батарэю з тытаніту кальцыя і спосаб яе падрыхтоўкі і энергетычную прыладу». У апошнія гады пры падтрымцы ўнутранай палітыкі і мер прамысловасць кальцыева-тытанавай руды, прадстаўленая сонечнымі батарэямі з кальцыева-тытанавай руды, дасягнула вялікіх поспехаў. Такім чынам, што такое пераўскіт? Як адбываецца індустрыялізацыя перовскита? Якія задачы яшчэ стаяць? Карэспандэнт Science and Technology Daily апытаў профільных экспертаў.
Пераўскіт не з'яўляецца ні кальцыем, ні тытанам.
Так званыя пераўскіты не з'яўляюцца ні кальцыем, ні тытанам, а агульным тэрмінам для класа "керамічных аксідаў" з аднолькавай крышталічнай структурай з малекулярнай формулай ABX3. A азначае «катыён вялікага радыусу», B — «катыён металу», а X — «аніён галагену». A азначае «катыён вялікага радыуса», B азначае «катыён металу», а X азначае «аніён галагену». Гэтыя тры іёны могуць дэманстраваць мноства дзіўных фізічных уласцівасцей праз размяшчэнне розных элементаў або шляхам рэгулявання адлегласці паміж імі, уключаючы, але не абмяжоўваючыся імі, ізаляцыю, сегнетоэлектрычнасць, антыферамагнетызм, гіганцкі магнітны эфект і г.д.
«У адпаведнасці з элементарным складам матэрыялу перовскиты можна ўмоўна падзяліць на тры катэгорыі: перовскиты комплекснага аксіду металаў, арганічныя гібрыдныя перовскиты і неарганічныя галогенированные перовскиты». Луо Цзіншань, прафесар Школы электроннай інфармацыі і аптычнай інжынерыі Нанкайскага універсітэта, прадставіў, што тытаніты кальцыя, якія цяпер выкарыстоўваюцца ў фотаэлектрыцы, звычайна з'яўляюцца двума апошнімі.
перовскит можа быць выкарыстаны ў многіх галінах, такіх як наземныя электрастанцыі, аэракасмічная прамысловасць, будаўніцтва і носныя прылады для выпрацоўкі энергіі. Сярод іх фотаэлектрычнае поле - асноўная вобласць прымянення пераўскіта. Канструкцыі з тытаніту кальцыя добра праектуюцца і маюць вельмі добрыя фотаэлектрычныя характарыстыкі, што з'яўляецца папулярным напрамкам даследаванняў у галіне фотаэлектрыкі ў апошнія гады.
Індустрыялізацыя перовскита паскараецца, і айчынныя прадпрыемствы спаборнічаюць за макет. Паведамляецца, што першыя 5000 частак кальцыева-тытанавых рудных модуляў былі адпраўлены з Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. таксама паскарае будаўніцтва найбуйнейшай у свеце пілотнай лініі магутнасцю 150 МВт, цалкам пакрытай кальцыева-тытанавай рудай; Лінія па вытворчасці фотаэлектрычных модуляў з кальцыева-тытанавай руды Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. магутнасцю 150 МВт была завершана і ўведзена ў эксплуатацыю ў снежні 2022 года, а гадавы аб'ём вытворчасці можа дасягнуць 300 мільёнаў юаняў пасля выхаду на вытворчасць.
Кальцыева-тытанавая руда мае відавочныя перавагі ў фотаэлектрычнай прамысловасці
У фотаэлектрычнай прамысловасці перовскит карыстаецца вялікім попытам у апошнія гады. Прычына, па якой ён стаў «фаварытам» у галіне сонечных батарэй, заключаецца ў яго ўласных унікальных умовах.
«Па-першае, перовскит валодае мноствам выдатных оптаэлектронных уласцівасцяў, такіх як рэгуляваная шырыня забароненай зоны, высокі каэфіцыент паглынання, нізкая энергія сувязі эксітонаў, высокая рухомасць носьбітаў, высокая талерантнасць да дэфектаў і г.д.; па-другое, працэс падрыхтоўкі перовскита просты і дазваляе дасягнуць напаўпразрыстасці, звышлёгкасці, звыштонкасці, гнуткасці і г.д. Нарэшце, сыравіна перовскита шырока даступная і ў багацці». Ло Цзіншань прадставіў. А падрыхтоўка перовскита таксама патрабуе параўнальна нізкай чысціні сыравіны.
У цяперашні час у фотаэлектрычнай галіне выкарыстоўваецца вялікая колькасць сонечных элементаў на аснове крэмнія, якія можна падзяліць на сонечныя элементы з монакрышталічнага крэмнія, полікрышталічнага крэмнія і аморфнага крэмнія. Тэарэтычны полюс фотаэлектрычнага пераўтварэння крышталічных крэмніевых элементаў складае 29,4%, а цяперашнія лабараторныя ўмовы могуць дасягаць максімум 26,7%, што вельмі блізка да столі пераўтварэння; можна прадбачыць, што гранічная выгада ад тэхналагічнага ўдасканалення таксама будзе станавіцца ўсё меншай і меншай. Наадварот, эфектыўнасць фотаэлектрычнага пераўтварэння перовскитовых элементаў мае больш высокае тэарэтычнае значэнне полюса ў 33%, і калі дзве перовскитные элементы скласці ўверх і ўніз разам, тэарэтычная эфектыўнасць пераўтварэння можа дасягаць 45%.
Акрамя «эфектыўнасці», важным фактарам з'яўляецца «кошт». Напрыклад, прычына таго, што кошт тонкаплёнкавых батарэй першага пакалення не можа знізіцца, заключаецца ў тым, што запасы кадмію і галію, якія з'яўляюцца рэдкімі элементамі на зямлі, занадта малыя, і ў выніку больш развітая прамысловасць чым большы попыт, тым вышэйшы кошт вытворчасці, і ён ніколі не змог стаць асноўным прадуктам. Сыравіна перовскита распаўсюджана ў вялікіх колькасцях па зямлі, і кошт таксама вельмі танная.
Акрамя таго, таўшчыня пакрыцця з кальцыева-тытанавай руды для акумулятараў з кальцыева-тытанавай руды складае ўсяго некалькі сотняў нанаметраў, прыкладна 1/500 ад таўшчыні крэмніевых пласцін, што азначае, што попыт на гэты матэрыял вельмі малы. Напрыклад, цяперашні сусветны попыт на крэмніевы матэрыял для крышталічных крэмніевых элементаў складае каля 500 000 тон у год, і калі ўсе яны будуць заменены пераўскітавымі элементамі, спатрэбіцца толькі каля 1000 тон пераўскіта.
З пункту гледжання выдаткаў на вытворчасць, крышталічныя крэмніевыя элементы патрабуюць ачысткі крэмнія да 99,9999%, таму крэмній неабходна нагрэць да 1400 градусаў па Цэльсію, пераплавіць у вадкасць, выцягнуць у круглыя стрыжні і лустачкі, а затым сабраць у элементы, прынамсі чатыры фабрыкі і два да трох дзён паміж імі і большае спажыванне энергіі. У адрозненне ад гэтага, для вытворчасці перовскитовых клетак неабходна толькі нанесці перовскитную аснову вадкасці на падкладку, а затым чакаць крышталізацыі. Увесь працэс уключае толькі шкло, клейкую плёнку, пераўскіт і хімічныя матэрыялы, і можа быць завершаны на адной фабрыцы, і ўвесь працэс займае ўсяго каля 45 хвілін.
«Сонечныя батарэі, прыгатаваныя з перовскита, маюць выдатную эфектыўнасць фотаэлектрычнага пераўтварэння, якая на дадзеным этапе дасягнула 25,7%, і могуць у будучыні замяніць традыцыйныя крэмніевыя сонечныя батарэі, каб стаць камерцыйнай масай». Ло Цзіншань сказаў.
Ёсць тры асноўныя праблемы, якія неабходна вырашыць для прасоўвання індустрыялізацыі
Для прасоўвання індустрыялізацыі халькацыту людзям усё яшчэ трэба вырашыць 3 праблемы, а менавіта доўгатэрміновую стабільнасць халькацыту, падрыхтоўку вялікай плошчы і таксічнасць свінцу.
Па-першае, пераўскіт вельмі адчувальны да навакольнага асяроддзя, і такія фактары, як тэмпература, вільготнасць, святло і нагрузка на ланцуг, могуць прывесці да раскладання пераўскіта і зніжэння эфектыўнасці клетак. У цяперашні час большасць лабараторных перовскитовых модуляў не адпавядаюць міжнароднаму стандарту IEC 61215 для фотаэлектрычных прадуктаў, а таксама не дасягаюць 10-20-гадовага тэрміну службы крамянёвых сонечных элементаў, таму кошт перовскита па-ранейшаму не з'яўляецца выгаднай у традыцыйнай фотаэлектрычнай галіне. Акрамя таго, механізм дэградацыі перовскита і яго прылад вельмі складаны, і ў гэтай галіне няма вельмі дакладнага разумення працэсу, а таксама няма адзінага колькаснага стандарту, што шкодзіць даследаванням стабільнасці.
Іншая важная праблема - як падрыхтаваць іх у вялікіх маштабах. У цяперашні час, калі даследаванні па аптымізацыі прылады праводзяцца ў лабараторыі, эфектыўная асветленая плошча выкарыстоўваных прылад звычайна складае менш за 1 см2, і калі справа даходзіць да стадыі камерцыйнага прымянення буйнамаштабных кампанентаў, метады лабараторнай падрыхтоўкі неабходна ўдасканаліць або заменены. Асноўнымі метадамі, якія ў цяперашні час прымяняюцца для атрымання перовскитных плёнак вялікай плошчы, з'яўляюцца метад раствора і метад вакуумнага выпарвання. У метадзе раствора канцэнтрацыя і суадносіны раствора папярэдніка, тып растваральніка і час захоўвання аказваюць вялікі ўплыў на якасць перовскитовых плёнак. Метад вакуумнага выпарвання забяспечвае якаснае і кантраляванае нанясенне перовскитных плёнак, але зноў жа цяжка дасягнуць добрага кантакту паміж папярэднікамі і падкладкамі. Акрамя таго, паколькі пласт транспарту зарада пераўскітавага прылады таксама павінен быць падрыхтаваны на вялікай плошчы, у прамысловай вытворчасці неабходна ўсталяваць вытворчую лінію з бесперапынным нанясеннем кожнага пласта. У цэлым, працэс атрымання тонкіх плёнак перовскита вялікай плошчы ўсё яшчэ патрабуе далейшай аптымізацыі.
Нарэшце, таксічнасць свінцу таксама выклікае непакой. У працэсе старэння цяперашніх высокаэфектыўных перовскитовых прылад перовскит будзе раскладацца з адукацыяй свабодных іёнаў свінцу і манамераў свінцу, якія будуць небяспечныя для здароўя пры трапленні ў арганізм чалавека.
Ло Цзіншань лічыць, што такія праблемы, як стабільнасць, можна вырашыць з дапамогай упакоўкі прылады. «Калі ў будучыні, гэтыя дзве праблемы будуць вырашаны, ёсць таксама спелы працэс падрыхтоўкі, можа таксама зрабіць perovskite прылады ў напаўпразрыстае шкло або зрабіць на паверхні будынкаў для дасягнення фотаэлектрычнай інтэграцыі будынка, або зробленыя ў гнуткія складаныя прылады для аэракасмічнай і касмічнай прамысловасці і іншых радовішчаў, каб пераўскіт у космасе без вады і кіслароду адыгрываў максімальную ролю». Ло Цзіншань упэўнены ў будучыні пераўскіта.
Час публікацыі: 15 красавіка 2023 г