21,7 százalék! Az új módszer átformálja a perovszkit napelem gyártási folyamatot

A kutatók bevonatnyomtatást, vákuumleválasztást és egyéb technológiákat alkalmaztak a nagy felületű, csupa perovszkit tandem fotovoltaikus modulok előállításához a világon először, új módot nyitva ezzel a nagy felületű perovszkit tandem cellák tömeggyártásában és kereskedelmi forgalomba hozatalában. . pálya. Egy nemzetközi, hiteles, külső tesztelő szervezet által tanúsított modul stabil fotoelektromos átalakítási hatékonysága eléri a 21,7 százalékot, ami a világ legmagasabb hatásfoka az ismert perovszkit fotovoltaikus modulok közül.

A napelemek a napenergiát közvetlenül elektromos árammá alakíthatják, ami a tiszta energia beszerzésének fontos módja.

A fotovoltaikus energiatermelés költsége a napelemek fotoelektromos átalakítási hatékonyságától függ. Tanulmányok kimutatták, hogy a konverziós hatékonyság minden 1 százalékos növelésével az energiatermelés költsége 7 százalékkal csökkenthető, de a kristályos szilícium napelemek fotoelektromos átalakítási hatékonysága jelenleg fejlesztési szűk keresztmetszetekbe ütközik. Az internet-hozzáférés kulcsa fontos tudományos és technológiai támogatást is nyújt majd a „kettős szén-dioxid” cél megvalósításához.

Nemrég Tan Hairen professzor, a Nanjing Egyetem Modern Műszaki és Alkalmazott Tudományok Iskolájának kutatócsoportja, valamint az Oxfordi Egyetem tudósai az Egyesült Királyságban bevonónyomtatást, vákuumleválasztást és egyéb technológiákat használtak a nagy felületek előkészítésének megvalósítására. -perovskit egymásra rakott fotovoltaikus modulok először a világon. Új út a nagy felületű perovszkit tandemsejtek tömeggyártásához és kereskedelmi forgalomba hozatalához.

Egy nemzetközi, hiteles, külső tesztelő szervezet által tanúsított modul stabil fotoelektromos átalakítási hatékonysága eléri a 21,7 százalékot, ami a világ legmagasabb hatásfoka az ismert perovszkit fotovoltaikus modulok közül. Ez az eredmény szerepelt a "Solar Battery World Records" legújabb számában, és a vonatkozó eredményeket a közelmúltban publikálták a "Science" nemzetközi tekintélyes tudományos folyóiratban.

Alacsonyabb gyártási költség és nagyobb energiamegtakarítás

A tiszta, alacsony költségű napelemes fotovoltaikus energiatermelés fejlesztése fontos módja és műszaki garanciája a szén-dioxid-csúcs és a szén-dioxid-semlegesség elérésének. 2022 első negyedévében hazám fotovoltaikus energiatermelése 84,1 milliárd kWh volt, ami 22,2 százalékos éves növekedést jelent.

"A technológia fejlődésével azonban a hagyományos kristályos szilícium egycsomós napelemek is két fejlesztési szűk keresztmetszetbe ütköztek. Először is, a meglévő ipari termelési kapacitás megközelítette a kristályos szilícium egycsomósos napelemek fotoelektromos átalakítási hatékonyságának határát; másodszor, a költség A magas energia és nagy energiafogyasztás, a kvarchomok ipari szilíciummá történő finomításának és a monokristályos szilícium előállításának folyamata több mint 1000 fokos magas hőmérsékletet igényel, míg a perovszkit napelemek előállítása körülbelül 100 fokot igényel." Tan Hairen a tanulmány megfelelő szerzőjeként őszintén kijelentette, hogy az alacsonyabb termelési költségekkel és nagyobb energiamegtakarítással rendelkező perovszkit napelemek az elmúlt években új lehetőségeknek tekinthetők a fotovoltaikus ipar fejlődésében, valamint a perovszkit tandem szerkezeti optimalizálása és technológiai innovációja szempontjából. cellák felgyorsítják a fotovoltaikus ipart a költségcsökkentés elérése érdekében Szinergikus.

Korábban Tan Hairen kutatócsoportja új alagútszerkezetet javasolt, amely áttörte a csupa perovszkit kötegek előkészítési problémáját, új módszert dolgozott ki a perovszkit szemcsék felületén lévő hibák passzivációjának fokozására, és létrehozta a csupa perovszkit fotoelektromos átalakítását. halom. A világrekord 26,4 százalékos hatékonysága a világon először haladta meg az egycsatlakozású perovszkit cellák legmagasabb tanúsított hatékonyságát. A vonatkozó eredményeket olyan tekintélyes nemzetközi tudományos folyóiratokban tették közzé, mint a Nature.

"Bár a laboratóriumban a kis felületű perovszkit cellák magas konverziós hatékonyságot értek el, a nagy felületű perovszkit fotovoltaikus cellablokkok kereskedelmi forgalomba hozatala még mindig sok kihívással néz szembe." Tan Hairen nem tagadta, hogy bár a korábbi kutatások 1 A nagy hatékonyságú perovszkit tandem akkumulátor körülbelül négyzetcentiméter, de a tömeggyártású előkészítési módszer és az akkumulátorblokkban lévő összekötő szerkezet hosszú távú stabilitása jelentik a fő szűk keresztmetszetek megvalósítani az iparosodást.

A többféle technológia lehetővé teszi, hogy az anyag egységes filmet képezzen

A tömeggyártás eléréséhez először meg kell oldani a széles sávú perovszkit fóliák nagy felületű és egységes elkészítésének problémáját.

"A széles sávú perovszkit magas bromid komponenseket tartalmaz, oldhatósága alacsony, az oldószer szelekciós tere kicsi, a kristályosodás szabályozása nem egyszerű, és nehéz jó minőségű, egyenletes és sűrű filmeket kapni. Nemzetközi kutatások tömeggyártásáról előkészítési technológia Szinte üres." – mutatott rá Tan Hairen.

A fenti kihívásokra válaszul a kutatócsoport először javasolt egy tömeggyártású, csupa perovszkit tandem akkumulátor-előkészítési sémát. Bevonatnyomtatással, vákuumleválasztással és egyéb előkészítési technológiákkal helyettesítették a laboratóriumban általánosan használt spin-coating filmképző eljárást, és elkészítettek egy 20 négyzetcentiméteres csupa perovszkit tandem akkumulátort.

"Korábban centrifugálási eljárást alkalmaztunk, azaz először a perovszkit oldatot vittük fel az üveghordozóra, majd a gép segítségével gyorsan forogni kezdtük a teljes üveghordozót, és centrifugális erővel eloszlattuk az oldatot az alapfelületen. vékony filmet alkotnak, de ezzel a módszerrel A centrifugálási gép nagyon gyorsan forog, így nehéz egy nagy felületű üveghordozót elforgatni, ami azt határozza meg, hogy nem alkalmas perovszkit napelemek tömeges gyártására. " Tan Hairen mondta.

Annak érdekében, hogy a perovszkit oldat egységes filmet képezzen egy nagy területen, a kutatócsoport először orvosi penge bevonási eljárást alkalmazott. Tan Hairen elmagyarázta, hogy az átlátszó, vezetőképes üvegre cseppentették az oldatot, majd egy pengével előre kaparták, ami egységes nedves filmréteget képezett az üveg felületén. Ily módon elkészítették a lyukszállító réteget, a kalciumot, a titánréteget ecsettel, majd vákuumleválasztással előkészítették az elektronszállító réteget és az alagútszerkezetet, hogy megvédjék az első perovszkitréteget, majd bevonják a lyukszállító réteget és a második perovszkitréteget. , és az elektrontranszport réteg vákuum elpárologtatása A és fémelektródák után egy perovszkit napelem blokk keret "kikerült a sütőből", mint az építőkockák.

Nem elég „házat” építeni, arányosnak és erősnek is kell lennie. Tan Hairen elmondta, hogy a perovskit tandem akkumulátorblokk kezdeti elkészítésekor a film még mindig egyenetlen volt az oldat hosszú kristályosodási ideje miatt. "Később arra gondoltam, hogy ha ez olyan, mint a nyomdapapír, akkor a tinta azonnal megszáradna a nyomtatás után, ami javíthatja a film minőségét és a termelékenységet".

A bevonási folyamat során a széles sávú perovszkit kristályosodásának szabályozásának nehézségére törekedve, a csapat több próbálkozás után 35 százalékra emelte a perovszkit komponensben lévő A-hely kationjának céziumtartalmát, és ezt a pengebevonat módszerével kombinálták. levegővel segített kristályosítás az oldat felgyorsítására Az elpárologtatás után végül egy lapos és sűrű, széles sávú, legjobb kristályosságú perovszkit filmet kaptunk, amely megalapozta a csupa perovszkitból álló komponensek tömeggyártását.

Miért válik a cézium az „Ég Fiává”, hogy gyorsan és stabilan képződjön az elemek? Tan Hairen bevezette: "A cézium egy szervetlen ion, és nem könnyen illékony. Javítja az eszköz hőstabilitását, csökkenti a rács feszültségét, javítja az eszköz fotostabilitását, csökkenti a kristályosodási gátat és felgyorsítja a gócképződést. eszköz."

Kerülje el, hogy a különböző anyagok "károsítsák" egymást

"Elméletileg a jelenlegi egyrétegű perovszkit napelem fotoelektromos konverziós hatásfoka legfeljebb 33 százalék, míg a kétrétegű szerkezete akár 45 százalékot is elérhet. Minél magasabb az energiatermelés hatékonysága, annál alacsonyabbak a költségek." Hosszú távú, mélyreható kutatás, Hadd Tan Hairen felfedezze, hogy a perovszkit sejtek belső szerkezetében az „egyről a kettőre” való ugrás eléréséhez azt is meg kell fontolnunk, hogyan lehet „harmonikusan együtt élni” az eszközök anyagai között.

"Egy tandem perovszkit fotovoltaikus modulban a két alcella csatlakozási tartományában egy bonyolult összekapcsolási struktúra található. A perovszkit fényelnyelő réteg és az összekapcsolási tartományban lévő hátsó fémelektróda közötti közvetlen érintkezés miatt a halogén ionok A perovszkitban az elektródában lévő fémmel való interdiffúzió a fémanyag korrodálódását és a perovszkit anyag elektromos tulajdonságainak romlását okozza, ami befolyásolja az akkumulátorblokk fotoelektromos átalakítási hatékonyságát." Tan Hairen elmondta, hogy a probléma leküzdésére a csapat a perovskit fényelnyelő réteget és a hátsó fémet használta. Az elektródák között atomos rétegleválasztással ón-dioxid elektrontranszport réteget készítettek.

"Az ón-dioxid olyan félvezető anyag, amely alacsony hőmérsékletű környezetben termeszthető, és jó elektromos vezetőképességgel rendelkezik. Nem befolyásolja az ohmos érintkezést az összekapcsolási területen lévő fémelektróda és az elülső felületen lévő átlátszó vezetőképes oxidelektróda között. ugyanakkor az ón-dioxid elektrontranszport réteg Konforman lerakható az alsejtek közötti összekapcsolt régiókban, blokkolva a perovszkit és a fém közötti közvetlen érintkezést, és a sejt aktív tartományában elektrontranszport rétegként megakadályozza az oxidációt is keskeny sávú perovszkit levegővel, atmoszférikus megvalósítása Az alkatrészek összekapcsolásának előkészítése, tesztelése és csomagolása az üzemi körülmények között." Tan Hairen elmagyarázta.

Ez az innovatív modulszerkezet-kialakítás jelentősen javítja a gyártás megismételhetőségét, a fotovoltaikus teljesítményt és a modul stabilitását. A Japán Elektromos Biztonsági és Környezetvédelmi Technológiai Laboratórium meghatározása szerint ennek a csupa perovszkit tandem napelem blokknak a fotoelektromos átalakítási hatásfoka 21,7 százalék, ami a világ legmagasabb hatékonysága a perovszkit fotovoltaikus modulok esetében. "Szolárelem világrekord táblázat" mellékelve.

A nagy felületű perovszkit tandem fotovoltaikus modulokban rejlő lehetőségek nagyobb harci szellemre inspirálták a csapatot. Tan Hairen azt mondta, hogy ha elő akarjuk mozdítani ennek a technológiának az iparosítását, több kutatást és fejlesztést kell végeznünk a perovszkit nyomtatása és előkészítése során. 20 négyzetcentiméter tinta elkészítése viszonylag egyszerű, de ha 1 négyzetméteresre bővítjük, mely műszaki feltételeket kell újítani, akkor is folyamatos ellenőrzést igényel.