Stan rozwoju i sugestie perowskitowej technologii fotowoltaicznej

Jako wschodząca technologia fotowoltaiczna trzeciej generacji, perowskitowe ogniwa słoneczne zwiększyły swoją wydajność konwersji fotoelektrycznej z 3,8% do 25,7% w nieco ponad dziesięć lat od ich wprowadzenia na rynek w 2009 r. Ponieważ wydajność ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego stopniowo zbliża się do teoretycznego limitu, wysokie -wydajne, tanie ogniwa perowskitowe przyciągają coraz większą uwagę światowego przemysłu fotowoltaicznego. Podczas gdy badania akademickie są nadal dogłębne, technologia uprzemysłowienia fotowoltaiki perowskitowej również dokonuje ciągłych przełomów. Jako największy na świecie kraj fotowoltaiczny, mój kraj od dawna utrzymuje wiodącą pozycję w dziedzinie fotowoltaiki z krzemu krystalicznego; aw powstającej dziedzinie fotowoltaiki perowskitowej znajduje się na tej samej linii startu, co inne kraje.

1. Stan rozwoju perowskitowej technologii fotowoltaicznej

Perowskitowe ogniwa słoneczne wykorzystują halogenki o strukturze perowskitu jako pochłaniające światło materiały warstwowe, które charakteryzują się regulowanym pasmem wzbronionym, wysokim współczynnikiem absorpcji światła, niskim współczynnikiem temperaturowym, cienkością i elastycznością i są obecnie najbardziej obiecującym nowym typem zastosowania na dużą skalę . Bateria słoneczna. Po ponad dziesięciu latach badań, podstawowe zasady, receptury materiałów i ścieżki optymalizacji wydajności fotowoltaiki perowskitowej stopniowo nabrały kształtu. Jednocześnie proces masowej produkcji ogniw i modułów fotowoltaicznych z krzemu krystalicznego oraz pełna lokalizacja wyposażenia linii produkcyjnej stanowią wiodący punkt odniesienia dla uprzemysłowienia technologii fotowoltaicznej perowskitów. W ostatnich latach zespoły badawczo-rozwojowe z uczelni i instytutów naukowo-badawczych oraz komórki, Producenci modułów i urządzeń w dziedzinie fotowoltaiki z krzemu krystalicznego zainwestowali w badania i rozwój technologii fotowoltaiki perowskitowej. Poczyniono znaczne postępy w produkcji modułów fotowoltaicznych i urządzeń do produkcji modułów perowskitowych.

(1) Stan badań nad perowskitowymi ogniwami słonecznymi

Wysoka wydajność jest najbardziej przekonującą zaletą perowskitowych ogniw słonecznych. Teoretyczna wydajność graniczna ogniw perowskitowych wynosi 33%, znacznie więcej niż 29,4% ogniw z krzemu krystalicznego. Dzięki optymalizacji komponentów, mikrostruktury i procesu przygotowania baterii, wydajność baterii perowskitowych przygotowanych w laboratorium wielokrotnie osiągała nowe rekordy. W lipcu 2022 r. bateria perowskitowa opracowana przez Instytut Półprzewodników Chińskiej Akademii Nauk uzyskała certyfikowaną sprawność na poziomie 25,6%, ustępując jedynie najwyższemu światowemu rekordowi sprawności na poziomie 25,7% ustanowionemu przez Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST ) w Korei Południowej w 2021 r.

Widmowy zakres reakcji baterii perowskitowych wynosi 300-800 nanometrów, czyli pasmo światła widzialnego, podczas gdy krystaliczne baterie krzemowe, baterie miedziowo-indowo-galowo-selenkowe (CIGS) itp. mogą absorbować i wykorzystywać światło podczerwone. Dlatego połączenie ogniw perowskitowych z krzemem krystalicznym, CIGS i innymi ogniwami w celu utworzenia ogniwa laminowanego może w pełni wykorzystać światło w każdym paśmie i uzyskać wyższą wydajność konwersji fotoelektrycznej. Samo ogniwo perowskitowe może również zmieniać zakres absorpcji światła poprzez regulację pasma wzbronionego. Łącząc ogniwa perowskitowe z szerokim pasmem wzbronionym i wąskim pasmem wzbronionym w ogniwa ułożone w stos, można znacznie poprawić wydajność konwersji fotoelektrycznej. W czerwcu 2022 r. Uniwersytet Nanjing opracował baterię stosu perowskit / perowskit o wydajności 28,0%, ustanawiając nowy rekord świata.

Elastyczne baterie perowskitowe i wewnętrzne baterie perowskitowe odpowiednie do zastosowań takich jak budynki, urządzenia przenośne i towary konsumpcyjne są również aktualnymi gorącymi punktami badawczymi. Najwyższa wydajność elastycznej baterii perowskitowej opracowanej przez Uniwersytet Tsinghua wynosi 23,6%, ustanawiając nowy rekord świata; obecnie najwyższa na świecie wydajność wewnętrznej baterii perowskitowej jest utrzymywana przez Shaanxi Normal University. Przy oświetleniu wnętrz o natężeniu 824,5 luksów wydajność baterii wynosi aż 40,1%.

badania mojego kraju nad perowskitowymi ogniwami słonecznymi rozwijają się w tym samym tempie co świat, a kilka zespołów badawczych jest na światowym poziomie. Owocne wyniki badań laboratoryjnych dostarczyły wystarczających wskazówek teoretycznych dla uprzemysłowienia fotowoltaiki perowskitowej w moim kraju. Środowisko akademickie i przemysł prowadziły dogłębną współpracę, aby stale promować przekształcanie wyników badań laboratoryjnych w technologię produkcji wektorów.

(2) Stan rozwoju technologii perowskitowych modułów fotowoltaicznych

Moduły fotowoltaiczne perowskitowe to moduły cienkowarstwowe, które są wytwarzane przez sekwencyjne osadzanie różnych warstw cienkich warstw ogniw perowskitowych na szkle i zamykanie ich. Warstwa transportująca dziury, warstwa transportująca elektrony, przeciwelektroda i inne cienkie warstwy w baterii są zwykle przygotowywane metodą osadzania próżniowego, podczas gdy proces przygotowania warstwy absorpcyjnej perowskitu dzieli się na metodę mokrą i metodę suchą. Typowy proces mokry, taki jak metoda powlekania szczelinowego, ma stosunkowo prostą konstrukcję sprzętową i łatwo jest poszerzyć obszar powlekania folii akumulatora od poziomu milimetra przygotowanego w laboratorium do kilkudziesięciu centymetrów, dlatego jest obecnie stosowany przez większość testowych linii produkcyjnych. Biorąc jednak pod uwagę, że zwiększenie powierzchni modułu będzie wiązało się z wyższymi wymaganiami dotyczącymi jakości folii,

Ze względu na trudności w kontroli jakości cienkich warstw o ​​dużej powierzchni, im większa powierzchnia składnika perowskitowego, tym większy spadek wydajności. Obecnie wydajność małych modułów o powierzchni kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych może osiągnąć ponad 20%, wydajność modułów o powierzchni setek centymetrów kwadratowych może osiągnąć 18%, podczas gdy wydajność modułów większych niż 0,1 metra kwadratowego wynosi tylko około 16%. Można zauważyć, że wydajność wielkoskalowych komponentów perowskitowych nadających się do zastosowań na dużą skalę wciąż wymaga poprawy.

Linie produkcyjne komponentów perowskitowych, które zostały wstępnie ukończone i są w budowie, to wszystkie linie testowe o mocy 100 megawatów lub mniejszej, a warstwa pochłaniająca warstwę perowskitu jest powlekana metodą mokrą. Oczekuje się, że w oparciu o warunki linii produkcyjnej podobne do produkcji masowej, receptura materiału, proces produkcji i specyfikacja produktu projekt komponentów zostanie szybko zoptymalizowany.

Główna różnica między komponentami ułożonymi w stos perowskit/krzem krystaliczny a konwencjonalnymi komponentami perowskitowymi polega na tym, że warstwa komórek perowskitu nie jest osadzana bezpośrednio na całym szkle, ale na komórce z krzemu krystalicznego. Z jednej strony mniejsza powierzchnia folii zmniejsza wymagania dotyczące rozmiaru sprzętu do osadzania folii, a sprzężenie z linią produkcyjną krystalicznych ogniw krzemowych również pomaga obniżyć koszty produkcji; z drugiej strony ogniwa perowskitowe muszą być połączone z pasującymi szczelinami ogniw krzemowych krystalicznych, konstrukcja baterii jest trudniejsza. Obecnie najwyższa wydajność 20-centymetrowych modułów laminowanych perowskitem/krzemem krystalicznym przygotowanych w laboratorium wynosi 26,63%, ale żadna pilotażowa linia modułów laminowanych perowskitem/krzemem krystalicznym nie została ukończona i wprowadzona do produkcji.

Ponadto, w oparciu o lekkie, cienkie i półprzezroczyste właściwości baterii perowskitowych, niektóre instytucje badawcze i producenci opracowują elastyczne i kolorowe komponenty. Oczekuje się, że te specjalne komponenty będą stosowane w urządzeniach do noszenia, konstrukcjach i innych scenariuszach.

2. Wyzwania stojące przed uprzemysłowieniem fotowoltaiki perowskitowej

(1) Stabilność baterii perowskitowych w długotrwałej eksploatacji

Kwestia stabilności perowskitowych ogniw słonecznych jest głównym wyzwaniem dla praktycznych zastosowań. Pod wpływem warunków zewnętrznych, takich jak para wodna, wysoka temperatura i promieniowanie ultrafioletowe, baterie perowskitowe są podatne na degradację, a ich wydajność jest poważnie osłabiona. Istnieją dwa główne sposoby poprawy stabilności baterii perowskitowych. Jednym z nich jest optymalizacja komponentów i mikrostruktury samej baterii, a drugim optymalizacja materiałów opakowaniowych i procesów pakowania perowskitowych modułów fotowoltaicznych.

Niektórzy producenci ogłosili, że próbnie wyprodukowane produkty modułowe przeszły test stabilności modułu przeprowadzony zgodnie z międzynarodowymi normami uznanymi przez przemysł fotowoltaiczny, takimi jak IEC 61215, i na tej podstawie spekuluje się, że żywotność modułów perowskitowych jest równoważna do modułów z krzemu krystalicznego, które mogą zapewnić żywotność 25 lat. Po roku sprawność wytwarzania energii utrzymuje się powyżej 80% wartości początkowej. Jednak biorąc pod uwagę, że komponenty perowskitu nie były jeszcze produkowane i stosowane masowo, ich stabilność w rzeczywistych środowiskach eksploatacyjnych, takich jak wysoka temperatura, wysoka wilgotność i wysoka mgła solna, pozostaje do przetestowania.

(2) Zagadnienia wydajności i jakości wielkopowierzchniowych komponentów perowskitowych

Wydajność i jakość wielkopowierzchniowych komponentów perowskitowych jest niska, głównie ze względu na ograniczony sprzęt i poziom procesu osadzania cienkiej warstwy na dużej powierzchni. W odróżnieniu od sposobu łączenia wielu ogniw o małej powierzchni szeregowo i równolegle w module z krzemu krystalicznego, powierzchnia pokrycia modułu perowskitowego osiąga poziom metra kwadratowego. Obecnie istnieje luka między jednolitą i ciągłą wydajnością powlekania dużych powierzchni domowych urządzeń do powlekania próżniowego a międzynarodowym poziomem zaawansowanym. Ponadto debugowanie procesu na linii do produkcji powłok wielkopowierzchniowych jest również stosunkowo trudne.

(3) Problemy krótkiej płytki kluczowych elementów wyposażenia linii produkcyjnej fotowoltaiki

Po latach szybkiego rozwoju przemysł fotowoltaiczny w moim kraju w zasadzie zdał sobie sprawę z lokalizacji całej linii produkcyjnej sprzętu, ale niektóre kluczowe komponenty sprzętu nadal zależą od importu. Na przykład pompy próżniowe, zasilacze o częstotliwości radiowej, zawory itp. w urządzeniach do powlekania próżniowego, lasery, zwierciadła wibracyjne itp. w urządzeniach do trawienia laserowego mają dużą lukę w stosunku do międzynarodowych producentów głównego nurtu pod względem wskaźników technicznych i niezawodności jakości. Chociaż producenci wyposażenia linii do produkcji fotowoltaicznej w moim kraju byli wcześniej zaangażowani w rozwój urządzeń do produkcji modułów perowskitowych i osiągnęli wstępne wyniki, tak że mały test, test pilotażowy i linie do produkcji masowej w moim kraju zawsze utrzymywały wysoki stopień Lokalizacja,

3. Propozycje promowania uprzemysłowienia fotowoltaiki perowskitowej

(1) Skutecznie odgrywają przewodnią rolę rządu

Perowskitowa technologia fotowoltaiczna, jako nowa generacja technologii fotowoltaicznej o najbardziej obiecujących perspektywach zastosowania na dużą skalę, zyskała uwagę krajowych władze technologiczne, środowisko akademickie, przemysł i różne podmioty inwestycyjne. Pojawiają się jednak koncepcje hype i ślepe podążanie za trendami na obecnym rynku, co może mieć negatywny wpływ na solidny postęp uprzemysłowienia perowskitowej technologii fotowoltaicznej.

W celu promowania wydajnego i uporządkowanego uprzemysłowienia perowskitowej technologii fotowoltaicznej należy w pełni wykorzystać regulacyjną i przewodnią rolę krajowych organów ds. energii oraz nauki i technologii w celu sformułowania wskaźników technicznych i wprowadzenia strategii zachęt; ustanowić mechanizm koordynacji „rząd-przemysł-uniwersytety-badania-aplikacje”, aby zachęcić różne różne ścieżki techniczne, różne podmioty badawczo-rozwojowe i rynkowe do szerokiego udziału w procesie uprzemysłowienia perowskitowej technologii fotowoltaicznej; trzymać się koncepcji otwartości i współpracy, kierować krajowym i międzynarodowym dwukierunkowym przepływem technologii, talentów, kapitału itp. oraz nalegać na „zapraszanie” i „wychodzenie”. Zwracaj równą uwagę na aktywne tworzenie kompleksowej i głęboko zintegrowanej międzynarodowej ekologii przemysłu; zachęcać kapitał państwowy do wspierania uprzemysłowienia perowskitowej technologii fotowoltaicznej w różnych formach i kierować zdrowym rozwojem przemysłu środkami rynkowymi.

Samorządy lokalne na wszystkich szczeblach powinny sumiennie wdrażać wymogi polityki krajowej, takie jak „14. pięcioletni plan innowacji naukowych i technologicznych w dziedzinie energii” oraz „Plan wdrażania neutralności węglowej w zakresie wsparcia nauki i technologii (2022-2030)” w celu sformułowania i promować uprzemysłowienie fotowoltaiki perowskitowej Konkretne plany i polityki motywacyjne, przestrzegać zasad nauki, pragmatyzmu i rygoru oraz promować zdrowy rozwój ogniw łańcucha przemysłu fotowoltaicznego perowskitowego odpowiednich dla tego regionu.

(2) Multidyscyplinarna współpraca w celu utworzenia wspólnej siły

Badania laboratoryjne i rozwój technologii fotowoltaicznej perowskitów są prowadzone głównie przez naukowców z dziedziny materiałoznawstwa, chemii i fizyki. Kiedy wchodzi w fazę uprzemysłowienia, obejmuje więcej dziedzin technicznych i więcej ogniw w łańcuchu przemysłowym. Konieczna jest współpraca w wielu dziedzinach zawodowych. W szczególności konieczne jest aktywne wprowadzanie zaawansowanych technologii w różnych dziedzinach zawodowych w celu poprawy wydajności i efektu uprzemysłowienia fotowoltaiki perowskitowej. Na przykład wykorzystując uczenie maszynowe, duże zbiory danych i inne technologie, aby w pewnym stopniu zastąpić wszystkie metody ręczne, przeprowadzać eksperymenty o dużej przepustowości, wydajnie i dokładnie sprawdzać materiały, receptury i warunki procesu produkcyjnego perowskitowych modułów fotowoltaicznych, i znacznie poprawić materiały linii produkcyjnej i zdolności produkcyjne. Szybkość optymalizacji procesów; opierając się na zaawansowanej technologii w dziedzinie powlekania paneli wielkopowierzchniowych, przetwarzania półprzewodników, przetwarzania elementów optycznych oraz innych dziedzin i sprzętu produkcyjnego, aby poprawić jakość powlekania modułów fotowoltaicznych z perowskitu.

(3) Przyspieszenie demonstracji i zastosowań demonstracyjnych perowskitowych produktów fotowoltaicznych

Potencjalne zagrożenia, takie jak niestabilność i wyciek toksycznego metalu z perowskitowych modułów fotowoltaicznych, utrudnią ich zastosowanie na dużą skalę. Dlatego konieczne jest jak najszybsze poznanie rzeczywistej wydajności i bezpieczeństwa jego usług poprzez dużą liczbę testów empirycznych i aplikacji demonstracyjnych, aby dokładnie ocenić ryzyko jego zastosowania i zapewnić wsparcie naukowe dla jego promocji i stosowania.

Sprawny rozwój zastosowań demonstracyjnych i demonstracyjnych perowskitowych produktów fotowoltaicznych wymaga współpracy jednostek użytkowników i przedsiębiorstw sieci elektroenergetycznych z producentami perowskitowych produktów fotowoltaicznych, producentami sprzętu do systemów fotowoltaicznych, jednostkami testującymi i certyfikującymi, jednostkami projektowymi i konstrukcyjnymi itp., aby otworzyć wszystkie aspektów realizacji projektu, aby stworzyć otwarte i inkluzyjne środowisko aplikacyjne.

(4) Terminowe zbudowanie standardowego systemu technologii fotowoltaicznej perowskitów i aktywne dążenie do opanowania prawa do wypowiadania się w międzynarodowych standardach

W celu zapewnienia standaryzacji, usystematyzowania, skalowalności i kompatybilności technologii produkcji i aplikacji perowskitowych produktów fotowoltaicznych z istniejącym systemem technologii aplikacji fotowoltaicznej, należy ustanowić standardowy system równolegle w procesie uprzemysłowienia perowskitowej fotowoltaiki. Konstrukcja standardowego systemu fotowoltaicznego perowskitu powinna opierać się na obecnym standardowym systemie technologii fotowoltaicznej, spełniać wymagania aplikacji, w pełni odzwierciedlać charakterystykę produkcji i zastosowania perowskitowych produktów fotowoltaicznych oraz uwzględniać ciągły rozwój i zmiany fotowoltaiki perowskitowej technologia. W zależności od aktualnej sytuacji należy wziąć pod uwagę zarówno standaryzację, jak i elastyczność.

Ustanowienie obecnego międzynarodowego systemu norm fotowoltaicznych zapoczątkowano w latach 80. XX wieku. przemysł fotowoltaiczny z krzemu krystalicznego w moim kraju, jako wschodząca gwiazda, rozwinął się w ramach istniejącego systemu norm międzynarodowych i wniósł niewielki oryginalny wkład w formułowanie norm międzynarodowych. Udział w międzynarodowych organizacjach normalizacyjnych jest stosunkowo niski, a prawo do wypowiadania się jest słabe. W dziedzinie fotowoltaiki perowskitowej poziom badań mojego kraju jest porównywalny ze światowym, a postęp i skala uprzemysłowienia mają niewielką przewagę. Dlatego powinniśmy skorzystać z okazji, aby aktywnie wspierać perowskitowe pole fotowoltaiczne w moim kraju, zwłaszcza ekspertów technicznych na pierwszej linii industrializacji.