21,7 процента! Новият метод променя процеса на производство на перовскитни слънчеви клетки

Изследователите са използвали печатане на покрития, вакуумно отлагане и други технологии, за да реализират подготовката на тандемни фотоволтаични модули с голяма площ, изцяло перовскит за първи път в света, отваряйки нов начин за масово производство и комерсиализация на тандемни клетки с голяма площ от перовскит. . пътека. Сертифициран от международна авторитетна организация за тестване на трета страна, стабилната ефективност на фотоелектричното преобразуване на този модул е ​​до 21,7 процента, което е най-високата ефективност в света на известните фотоволтаични модули от перовскит.

Слънчевите клетки могат директно да преобразуват слънчевата енергия в електричество, което е важен начин за получаване на чиста енергия.

Цената на производството на фотоволтаична енергия зависи от ефективността на фотоелектричното преобразуване на слънчевите клетки. Проучванията показват, че за всеки 1% увеличение на ефективността на преобразуването, разходите за производство на електроенергия могат да бъдат намалени със 7 процента, но ефективността на фотоелектричното преобразуване на кристалните силициеви слънчеви клетки в момента се сблъсква с тесни места в развитието. Ключът към достъпа до Интернет също така ще осигури важна научна и технологична подкрепа за реализирането на целта за „двоен въглерод“.

Наскоро изследователската група на професор Тан Хайрен от Училището по модерно инженерство и приложни науки на университета в Нанкин и учени от Оксфордския университет в Обединеното кралство използваха печатане на покрития, вакуумно нанасяне и други технологии, за да реализират подготовката на големи площи. -перовскит подредени фотоволтаични модули за първи път в света. Нов път за масово производство и комерсиализация на перовскитни тандемни клетки с голяма площ.

Сертифициран от международна авторитетна организация за тестване на трета страна, стабилната ефективност на фотоелектричното преобразуване на този модул е ​​до 21,7 процента, което е най-високата ефективност в света на известните фотоволтаични модули от перовскит. Това постижение беше включено в последния брой на „Solar Battery World Records”, а съответните резултати бяха публикувани наскоро в международното авторитетно академично списание „Science”.

По-ниски производствени разходи и повече спестяване на енергия

Разработването на чисто, евтино производство на слънчева фотоволтаична енергия е важен начин и техническа гаранция за постигане на въглероден пик и въглеродна неутралност. През първото тримесечие на 2022 г. производството на фотоволтаична електроенергия в моята страна е 84,1 милиарда kWh, което е увеличение от 22,2 процента на годишна база.

„Въпреки това, с развитието на технологията, традиционните кристални силициеви еднопреходни слънчеви клетки също се сблъскаха с две пречки в развитието. Първо, съществуващият производствен капацитет на промишленото производство се приближи до границата на ефективността на фотоелектричното преобразуване на слънчевите клетки с един преход от кристален силиций; второ, цена Висока енергия и висока консумация на енергия, процесът на рафиниране на кварцов пясък в промишлен силиций и получаване на монокристален силиций изисква висока температура от повече от 1000 градуса, докато подготовката на перовскитни слънчеви клетки изисква около 100 градуса." Като съответния автор на това изследване, Тан Хайрен каза откровено, че перовскитните слънчеви клетки с по-ниски производствени разходи и повече спестяване на енергия се разглеждат като нови възможности за развитието на фотоволтаичната индустрия през последните години и структурната оптимизация и технологичните иновации на перовскитния тандем клетки ще ускорят фотоволтаичната индустрия за постигане на намаляване на разходите Synergistic.

Преди това изследователската група на Tan Hairen предложи нова тунелна структура, която проби проблема с подготовката на изцяло перовскитни купчини, разработи нов метод за подобряване на пасивирането на дефектите на повърхността на перовскитните зърна и създаде фотоелектрично преобразуване на изцяло перовскитни зърна. купчини. Световната рекордна ефективност от 26,4 процента надмина най-високата сертифицирана ефективност на еднопреходните перовскитни клетки за първи път в света. Съответните резултати са публикувани в международни авторитетни академични списания като Nature.

„Въпреки че перовскитните клетки с малка площ в лабораторията са постигнали висока ефективност на преобразуване, комерсиализацията на фотоволтаични клетъчни блокове с голяма площ все още е изправена пред много предизвикателства. Тан Хайрен не отрече, че въпреки че предишни изследвания са довели до 1 Високоефективната перовскитна тандемна батерия е около квадратни сантиметри, но масовото производство на метода на подготовка и дългосрочната стабилност на структурата на свързване в акумулаторния блок са ключовите пречки за реализира индустриализация.

Множество технологии позволяват на материала да образува еднороден филм

За да се постигне масово производство, първо е необходимо да се реши проблемът с голяма площ и еднаква подготовка на широколентови перовскитни филми.

„Широколентовият перовскит съдържа високо бромидни компоненти, неговата разтворимост е ниска, пространството за избор на разтворители е малко, контролът на кристализацията не е лесен и е трудно да се получат висококачествени, равномерни и плътни филми. Международни изследвания за масовото му производство Технология на подготовка Почти празна." — посочи Тан Хайрен.

В отговор на горните предизвикателства изследователският екип предложи за първи път масово произвеждана изцяло перовскитна тандемна схема за подготовка на батерии. Те използваха печатане на покритие, вакуумно отлагане и други технологии за подготовка, за да заменят процеса на образуване на филм с центрофугиране, който обикновено се използва в лабораторията, и подготвиха 20 квадратни сантиметра изцяло перовскитна тандемна батерия.

„Преди това използвахме процес на центрофугиране, тоест първо нанесем разтвора на перовскит върху стъкления субстрат и след това използваме машината за бързо завъртане на целия стъклен субстрат и използваме центробежна сила, за да разпределим разтвора върху субстрата. образуват тънък филм, но този метод ще В допълнение, машината за центрофугиране се върти много бързо, така че е трудно да се завърти стъклен субстрат с голяма площ, което определя, че той не е подходящ за масово производство на перовскитни слънчеви клетки. " — каза Тан Хайрен.

За да позволи на разтвора на перовскит да образува равномерен филм върху голяма площ, изследователският екип първо използва процес на нанасяне на покритие с острие. Тан Хайрен обясни, че пуснали разтвора върху прозрачното проводящо стъкло, след което го изстъргали напред с острие, което образувало равномерен мокър филм върху повърхността на стъклото. По този начин те завършиха слоя за транспортиране на дупки, като калций разтриха титаниевия слой и след това подготвиха слоя за транспортиране на електрони и тунелната структура чрез вакуумно отлагане за защита на първия слой перовскит, след това покриха транспортния слой на дупките и втория слой от перовскит , и вакуумно изпаряване на електронен транспортен слой След и метални електроди, блоковата рамка на перовскитни слънчеви клетки е "извън фурната" като градивни блокове.

Не е достатъчно да се построи "къща", тя трябва също да е добре пропорционална и здрава. Тан Хайрен каза, че когато първоначално е бил подготвен перовскитният тандемен батериен блок, филмът все още е неравномерен поради дългото време на кристализация на разтвора. "По-късно си помислих, че ако може да е като хартия за печат, мастилото ще изсъхне веднага след отпечатването, което може да подобри филма. качеството и производителността."

С цел трудността да се контролира кристализацията на широколентовия перовскит в процеса на нанасяне на покритие, след няколко опита, екипът увеличи съдържанието на цезий в катиона на A-места в перовскитния компонент до 35 процента и комбинира с метода на покритие на остриетата кристализация с помощта на въздух за ускоряване на разтвора След изпаряването най-накрая се получи плосък и плътен перовскит с най-добра кристалност, който положи основата за масовото производство на изцяло перовскитни подредени компоненти.

Защо цезият става „Синът на небето“, за да направи батериите бързо и стабилно формирани? Тан Хайрен представи: "Цезий е неорганичен йон и не е лесно летлив. Той ще подобри термичната стабилност на устройството, ще намали напрежението на решетката, ще подобри фотостабилността на устройството, ще намали кристализационната бариера и ще ускори скоростта на нуклеация на устройство."

Избягвайте различните материали да се „вредят“ взаимно

„Теоретично, ефективността на фотоелектричното преобразуване на сегашната еднослойна перовскитна слънчева клетка е най-високата само 33 процента, докато двуслойната структура може да достигне до 45 процента. Колкото по-висока е ефективността на генериране на енергия, толкова по-ниска е цената. Дългосрочни задълбочени изследвания, нека Tan Hairen открие, че за да постигнем скок от „едно до две“ във вътрешната структура на перовскитните клетки, трябва също да помислим как да „хармонично съжителстваме“ между материалите на устройството.

„В тандемния фотоволтаичен модул от перовскит има сложна структура на взаимосвързаност в областта на свързване на всяка две подклетки. Поради директния контакт между перовскитния поглъщащ светлина слой и задния метален електрод в областта на взаимно свързване, халогенните йони в перовскитната воля Взаимната дифузия с метала в електрода ще доведе до корозия на металния материал и намаляване на електрическите свойства на материала на перовскита, което ще повлияе на ефективността на фотоелектричното преобразуване на акумулаторния блок." Тан Хайрен каза, че за да се преодолее този проблем, екипът е използвал перовскитния поглъщащ светлина слой и задния метал. Между електродите се приготвя слой от електронен транспортен слой от калаен диоксид чрез отлагане на атомен слой.

„Калаеният диоксид е полупроводников материал, който може да се отглежда в среда с ниска температура и има добра електрическа проводимост. Той не влияе на омичния контакт между металния електрод в зоната на свързване и прозрачния проводящ оксиден електрод на предната повърхност. в същото време, електронен транспортен слой на калай диоксид. Той може да бъде конформно отложен във взаимосвързаните области между подклетките, блокирайки директния контакт между перовскит и метал. Като електронен транспортен слой в активната област на клетката, той също така предотвратява окисляването на теснолентов перовскит по въздух, осъществяващ атмосферна подготовка, тестване и опаковане на компонентите при условията на експлоатация." Тан Хайрен обясни.

Този иновативен дизайн на структурата на модула значително подобрява повторяемостта на производството, фотоволтаичната производителност и стабилността на модула. Както е определено от Японската лаборатория за електрическа безопасност и технологии за околната среда, ефективността на фотоелектрическото преобразуване на този изцяло перовскит тандемен блок слънчева клетка е 21,7 процента, което е най-високата ефективност в света, отчетена за перовскитните фотоволтаични модули. Включена е "Таблица за световни рекорди за слънчеви батерии".

Потенциалът, демонстриран от тандемни фотоволтаични модули от перовскит с голяма площ, вдъхнови екипа да има по-голям боен дух. Тан Хайрен каза, че ако искаме да насърчим индустриализацията на тази технология, трябва да направим повече изследвания и разработки в процеса на отпечатване и приготвяне на перовскит. Сравнително лесно е да се приготвят 20 квадратни сантиметра мастило, но ако се разшири до 1 квадратен метър, които технически условия трябва да бъдат иновативни, то все още се нуждае от непрекъсната проверка.