Trong ngành quang điện, perovskite đang có nhu cầu rất cao trong những năm gần đây. Lý do tại sao nó nổi lên như một loại “được yêu thích” trong lĩnh vực pin mặt trời là do các điều kiện độc đáo của nó. Quặng titan canxi có nhiều đặc tính quang điện tuyệt vời, quy trình chuẩn bị đơn giản, nguyên liệu thô đa dạng và hàm lượng phong phú. Ngoài ra, perovskite còn có thể được sử dụng trong các nhà máy điện mặt đất, hàng không, xây dựng, thiết bị phát điện đeo trên người và nhiều lĩnh vực khác.
Vào ngày 21 tháng 3, Ningde Times đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho “pin mặt trời canxi titanite và phương pháp điều chế cũng như thiết bị năng lượng của nó”. Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ của các chính sách và biện pháp trong nước, ngành công nghiệp quặng canxi-titan, tiêu biểu là pin mặt trời quặng canxi-titan, đã có những bước tiến vượt bậc. Vậy perovskite là gì? Quá trình công nghiệp hóa perovskite như thế nào? Những thách thức nào vẫn đang phải đối mặt? Phóng viên Nhật báo Khoa học và Công nghệ đã phỏng vấn các chuyên gia liên quan.
Perovskite không phải là canxi hay titan.
Cái gọi là perovskite không phải là canxi hay titan mà là thuật ngữ chung để chỉ một loại “oxit gốm” có cùng cấu trúc tinh thể, với công thức phân tử ABX3. A là viết tắt của “cation bán kính lớn”, B là “cation kim loại” và X là “anion halogen”. A là viết tắt của “cation bán kính lớn”, B là viết tắt của “cation kim loại” và X là viết tắt của “anion halogen”. Ba ion này có thể thể hiện nhiều tính chất vật lý đáng kinh ngạc thông qua việc sắp xếp các nguyên tố khác nhau hoặc bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa chúng, bao gồm nhưng không giới hạn ở tính chất cách điện, tính sắt điện, tính phản sắt từ, hiệu ứng từ trường khổng lồ, v.v.
“Theo thành phần nguyên tố của vật liệu, perovskite có thể được chia đại khái thành ba loại: perovskite oxit kim loại phức tạp, perovskite lai hữu cơ và perovskite halogen hóa vô cơ.” Luo Jingshan, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Thông tin Điện tử và Quang học của Đại học Nankai, giới thiệu rằng canxi titanite hiện được sử dụng trong quang điện thường là hai loại sau.
perovskite có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nhà máy điện trên mặt đất, hàng không vũ trụ, xây dựng và các thiết bị phát điện có thể đeo được. Trong số đó, trường quang điện là lĩnh vực ứng dụng chính của perovskite. Cấu trúc canxi titanite có tính thiết kế cao và hiệu suất quang điện rất tốt, đây là hướng nghiên cứu phổ biến trong lĩnh vực quang điện trong những năm gần đây.
Quá trình công nghiệp hóa perovskite đang tăng tốc và các doanh nghiệp trong nước đang cạnh tranh để bố trí. Được biết, 5.000 mảnh mô-đun quặng titan canxi đầu tiên được vận chuyển từ Công ty TNHH Công nghệ quang điện Fina Hàng Châu; Công ty TNHH Quang điện Renshuo (Tô Châu) cũng đang đẩy nhanh việc xây dựng dây chuyền thí điểm ép quặng titan canxi đầy đủ công suất 150 MW lớn nhất thế giới; Công ty TNHH Vật liệu quang điện Kunshan GCL Dây chuyền sản xuất mô-đun quang điện quặng canxi-titan 150 MW đã được hoàn thành và đưa vào hoạt động vào tháng 12 năm 2022, và giá trị sản lượng hàng năm có thể đạt 300 triệu nhân dân tệ sau khi đi vào sản xuất.
Quặng titan canxi có lợi thế rõ ràng trong ngành quang điện
Trong ngành quang điện, perovskite đang có nhu cầu rất cao trong những năm gần đây. Lý do tại sao nó nổi lên như một loại “được yêu thích” trong lĩnh vực pin mặt trời là do những điều kiện độc đáo của nó.
“Thứ nhất, perovskite có nhiều đặc tính quang điện tử tuyệt vời, chẳng hạn như khoảng cách vùng cấm có thể điều chỉnh, hệ số hấp thụ cao, năng lượng liên kết kích thích thấp, độ linh động sóng mang cao, khả năng chịu khuyết tật cao, v.v.; thứ hai, quy trình điều chế perovskite rất đơn giản và có thể đạt được độ trong, siêu nhẹ, siêu mỏng, linh hoạt, v.v. Cuối cùng, nguyên liệu thô perovskite rất sẵn có và phong phú ”. Lạc Cảnh Sơn giới thiệu. Và việc điều chế perovskite cũng đòi hỏi độ tinh khiết của nguyên liệu thô tương đối thấp.
Hiện tại, lĩnh vực PV sử dụng một số lượng lớn pin mặt trời dựa trên silicon, có thể được chia thành silicon đơn tinh thể, silicon đa tinh thể và pin mặt trời silicon vô định hình. Cực chuyển đổi quang điện lý thuyết của tế bào silicon tinh thể là 29,4% và môi trường phòng thí nghiệm hiện tại có thể đạt tối đa 26,7%, rất gần với mức trần chuyển đổi; có thể thấy trước rằng lợi ích cận biên của cải tiến công nghệ cũng sẽ ngày càng nhỏ đi. Ngược lại, hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào perovskite có giá trị cực lý thuyết cao hơn là 33% và nếu hai tế bào perovskite được xếp chồng lên nhau thì hiệu suất chuyển đổi theo lý thuyết có thể đạt tới 45%.
Ngoài “hiệu quả”, một yếu tố quan trọng khác là “chi phí”. Ví dụ, lý do khiến giá thành của thế hệ pin màng mỏng đầu tiên không thể giảm là do trữ lượng cadmium và gali, những nguyên tố hiếm trên trái đất, quá nhỏ, và kết quả là ngành công nghiệp càng phát triển. nghĩa là, nhu cầu càng lớn thì chi phí sản xuất càng cao và nó chưa bao giờ có thể trở thành sản phẩm chủ đạo. Nguyên liệu thô của perovskite được phân phối với số lượng lớn trên trái đất và giá cả cũng rất rẻ.
Ngoài ra, độ dày của lớp phủ quặng canxi-titan cho pin quặng canxi-titan chỉ vài trăm nanomet, bằng khoảng 1/500 so với tấm silicon, nghĩa là nhu cầu về vật liệu này rất nhỏ. Ví dụ, nhu cầu toàn cầu hiện nay về vật liệu silicon cho tế bào silicon tinh thể là khoảng 500.000 tấn mỗi năm và nếu tất cả chúng được thay thế bằng tế bào perovskite thì sẽ chỉ cần khoảng 1.000 tấn perovskite.
Xét về chi phí sản xuất, tế bào silicon tinh thể yêu cầu tinh chế silicon đến 99,9999% nên silicon phải được nung nóng đến 1400 độ C, nấu chảy thành chất lỏng, kéo thành thanh tròn và lát mỏng, sau đó lắp ráp thành tế bào, với ít nhất bốn nhà máy và hai nhà máy. đến ba ngày ở giữa và tiêu thụ năng lượng lớn hơn. Ngược lại, để sản xuất tế bào perovskite, chỉ cần bôi chất lỏng gốc perovskite lên chất nền rồi chờ kết tinh. Toàn bộ quá trình chỉ bao gồm kính, màng dính, perovskite và vật liệu hóa học, có thể được hoàn thành trong một nhà máy và toàn bộ quá trình chỉ mất khoảng 45 phút.
“Pin mặt trời được điều chế từ perovskite có hiệu suất chuyển đổi quang điện tuyệt vời, đạt 25,7% ở giai đoạn này và có thể thay thế pin mặt trời dựa trên silicon truyền thống trong tương lai để trở thành xu hướng thương mại chủ đạo.” Lạc Cảnh Sơn nói.
Có ba vấn đề lớn cần giải quyết để thúc đẩy công nghiệp hóa
Trong quá trình thúc đẩy công nghiệp hóa chalcocite, con người vẫn cần giải quyết 3 vấn đề, đó là độ ổn định lâu dài của chalcocite, chuẩn bị diện tích lớn và độc tính của chì.
Đầu tiên, perovskite rất nhạy cảm với môi trường và các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và tải mạch có thể dẫn đến sự phân hủy perovskite và giảm hiệu suất của tế bào. Hiện nay hầu hết các mô-đun perovskite trong phòng thí nghiệm không đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế IEC 61215 cho các sản phẩm quang điện, cũng như không đạt được tuổi thọ 10-20 năm của pin mặt trời silicon, do đó giá thành của perovskite vẫn không có lợi thế trong lĩnh vực quang điện truyền thống. Ngoài ra, cơ chế phân hủy của perovskite và các thiết bị của nó rất phức tạp và không có sự hiểu biết rõ ràng về quy trình tại hiện trường cũng như không có tiêu chuẩn định lượng thống nhất, gây bất lợi cho nghiên cứu độ ổn định.
Một vấn đề quan trọng khác là làm thế nào để chuẩn bị chúng trên quy mô lớn. Hiện nay, khi các nghiên cứu tối ưu hóa thiết bị được thực hiện trong phòng thí nghiệm, vùng ánh sáng hiệu quả của các thiết bị được sử dụng thường nhỏ hơn 1 cm2 và khi đến giai đoạn ứng dụng thương mại của các linh kiện quy mô lớn, các phương pháp chuẩn bị trong phòng thí nghiệm cần phải được cải thiện. hoặc bị thay thế. Các phương pháp chính hiện nay được áp dụng để chế tạo màng perovskite diện tích lớn là phương pháp dung dịch và phương pháp bay hơi chân không. Trong phương pháp dung dịch, nồng độ và tỷ lệ của dung dịch tiền chất, loại dung môi và thời gian bảo quản có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của màng perovskite. Phương pháp bay hơi chân không chuẩn bị chất lượng tốt và sự lắng đọng có thể kiểm soát của màng perovskite, nhưng lại khó đạt được sự tiếp xúc tốt giữa tiền chất và chất nền. Ngoài ra, do lớp vận chuyển điện tích của thiết bị perovskite cũng cần được chuẩn bị trên diện rộng nên cần phải thiết lập một dây chuyền sản xuất với sự lắng đọng liên tục của từng lớp trong sản xuất công nghiệp. Nhìn chung, quá trình chuẩn bị màng mỏng perovskite trên diện rộng vẫn cần được tối ưu hóa hơn nữa.
Cuối cùng, độc tính của chì cũng là vấn đề đáng quan tâm. Trong quá trình lão hóa của các thiết bị perovskite hiệu suất cao hiện nay, perovskite sẽ phân hủy để tạo ra các ion chì và monome chì tự do, sẽ gây nguy hiểm cho sức khỏe khi chúng xâm nhập vào cơ thể con người.
Luo Jingshan tin rằng các vấn đề như độ ổn định có thể được giải quyết bằng cách đóng gói thiết bị. “Nếu trong tương lai, hai vấn đề này được giải quyết, thì cũng cần có một quy trình chuẩn bị hoàn thiện, cũng có thể chế tạo các thiết bị perovskite thành kính mờ hoặc làm trên bề mặt các tòa nhà để đạt được sự tích hợp quang điện trong tòa nhà, hoặc chế tạo thành các thiết bị có thể gập linh hoạt cho ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, để perovskite trong không gian không có môi trường nước và oxy phát huy vai trò tối đa.” Luo Jingshan tự tin về tương lai của perovskite.
Thời gian đăng: 15-04-2023