21,7 la sută! O nouă metodă remodelează procesul de fabricare a celulelor solare perovskite

Cercetătorii au folosit pentru prima dată în lume imprimarea prin acoperire, depunerea în vid și alte tehnologii pentru a realiza pregătirea modulelor fotovoltaice tandem all-perovskite de suprafață mare, deschizând o nouă modalitate de producție în masă și comercializare a celulelor tandem de perovskit de suprafață mare. . cale. Certificat de o organizație de testare terță parte internațională autorizată, eficiența stabilă de conversie fotoelectrică a acestui modul este de până la 21,7%, ceea ce reprezintă cea mai mare eficiență din lume a modulelor fotovoltaice perovskite cunoscute.

Celulele solare pot transforma direct energia solară în electricitate, care este o modalitate importantă de a obține energie curată.

Costul de generare a energiei fotovoltaice depinde de eficiența conversiei fotoelectrice a celulelor solare. Studiile au arătat că pentru fiecare creștere cu 1% a eficienței de conversie, costul de generare a energiei poate fi redus cu 7%, dar eficiența de conversie fotoelectrică a celulelor solare cu siliciu cristalin se confruntă în prezent cu blocaje în dezvoltare. Cheia accesului la Internet va oferi, de asemenea, un suport științific și tehnologic important pentru realizarea obiectivului „dual carbon”.

Recent, grupul de cercetare al profesorului Tan Hairen de la Școala de Inginerie Modernă și Științe Aplicate a Universității Nanjing și savanți de la Universitatea Oxford din Regatul Unit au folosit imprimarea prin acoperire, depunerea în vid și alte tehnologii pentru a realiza pregătirea tuturor suprafețelor mari. -module fotovoltaice stivuite cu perovskit pentru prima dată în lume. O nouă cale pentru producția în masă și comercializarea celulelor tandem perovskite cu suprafețe mari.

Certificat de o organizație de testare terță parte internațională autorizată, eficiența stabilă de conversie fotoelectrică a acestui modul este de până la 21,7%, ceea ce reprezintă cea mai mare eficiență din lume a modulelor fotovoltaice perovskite cunoscute. Această realizare a fost inclusă în cel mai recent număr al „Solar Battery World Records”, iar rezultatele relevante au fost publicate recent în jurnalul academic cu autoritate internațională „Science”.

Costuri de producție mai mici și mai multă economie de energie

Dezvoltarea unei generații de energie solară fotovoltaică curată, cu costuri reduse, este o modalitate importantă și o garanție tehnică pentru atingerea vârfului de carbon și neutralitatea carbonului. În primul trimestru al anului 2022, producția de energie fotovoltaică a țării mele a fost de 84,1 miliarde kWh, o creștere de la an la an de 22,2 la sută.

„Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea tehnologiei, celulele solare tradiționale cu o singură joncțiune din siliciu cristalin au întâmpinat și două blocaje în dezvoltare. În primul rând, capacitatea de producție industrială existentă s-a apropiat de limita eficienței de conversie fotoelectrică a celulelor solare cu o singură joncțiune din siliciu cristalin; în al doilea rând, cost Energie ridicată și consum mare de energie, procesul de rafinare a nisipului de cuarț în siliciu industrial și de fabricare a siliciului monocristalin necesită o temperatură ridicată de peste 1000 de grade, în timp ce pregătirea celulelor solare perovskite necesită aproximativ 100 de grade." În calitate de autor corespondent al acestui studiu, Tan Hairen a spus sincer că celulele solare perovskite cu costuri de producție mai mici și mai multe economii de energie sunt considerate noi oportunități pentru dezvoltarea industriei fotovoltaice în ultimii ani, precum și optimizarea structurală și inovația tehnologică a tandemului perovskit. celulele vor accelera industria fotovoltaică pentru a obține reducerea costurilor Sinergică.

Anterior, grupul de cercetare al lui Tan Hairen a propus o nouă structură de tunel, care a depășit problema pregătirii stivelor de perovskit, a dezvoltat o nouă metodă pentru a îmbunătăți pasivarea defectelor de pe suprafața boabelor de perovskit și a creat conversia fotoelectrică a perovskitului. stive. Eficiența record mondial de 26,4% a depășit cea mai mare eficiență certificată a celulelor perovskite cu o singură joncțiune pentru prima dată în lume. Rezultatele relevante au fost publicate în reviste academice internaționale de autoritate precum Nature.

„Deși celulele perovskite cu suprafață mică din laborator au obținut o eficiență ridicată de conversie, comercializarea blocurilor de celule fotovoltaice perovskite cu suprafață mare se confruntă încă cu multe provocări”. Tan Hairen nu a negat că, deși cercetările anterioare au produs 1 Bateria tandem cu perovskit de înaltă eficiență are aproximativ centimetri pătrați, dar metoda de pregătire produsă în masă și stabilitatea pe termen lung a structurii de interconectare din blocul bateriei sunt blocajele cheie pentru realiza industrializarea.

Tehnologiile multiple permit materialului să formeze o peliculă uniformă

Pentru a realiza producția de masă, este mai întâi necesar să se rezolve problema pregătirii pe suprafețe mari și uniforme a peliculelor de perovskit cu bandă largă.

„Perovskitul cu bandă largă conține componente ridicate de bromură, solubilitatea sa este scăzută, spațiul de selecție a solvenților este mic, controlul cristalizării nu este ușor și este dificil să se obțină filme de înaltă calitate, uniforme și dense. Cercetări internaționale privind producția sa în masă. tehnologie de pregătire Aproape goală." a subliniat Tan Hairen.

Ca răspuns la provocările de mai sus, echipa de cercetare a propus pentru prima dată o schemă de pregătire a bateriei tandem all-perovskit produsă în serie. Ei au folosit imprimarea prin acoperire, depunerea în vid și alte tehnologii de preparare pentru a înlocui procesul de formare a filmului de acoperire prin centrifugare utilizat în mod obișnuit în laborator și au pregătit o baterie tandem all-perovskit de 20 de centimetri pătrați.

„Anterior, am folosit un proces de acoperire prin centrifugare, adică aplicarea mai întâi soluția de perovskit pe substratul de sticlă, apoi folosim mașina pentru a conduce rapid întregul substrat de sticlă să se rotească și folosim forța centrifugă pentru a distribui soluția pe substrat la forma o peliculă subțire, dar această metodă va În plus, mașina de acoperire prin rotație se rotește foarte repede, astfel încât este dificil să se rotească un substrat de sticlă cu suprafață mare, ceea ce determină că nu este potrivit pentru producția în masă a celulelor solare perovskite. " spuse Tan Hairen.

Pentru a permite soluției de perovskit să formeze o peliculă uniformă pe o suprafață mare, echipa de cercetare a folosit mai întâi un proces de acoperire cu racle. Tan Hairen a explicat că au scăpat soluția pe sticla transparentă conductoare, apoi au răzuit-o înainte cu o lamă, care a format o peliculă umedă uniformă pe suprafața sticlei. În acest fel, au completat stratul de transport al găurii, calciu Periaj stratul de titan și apoi pregătirea stratului de transport de electroni și a structurii de tunel prin depunere în vid pentru a proteja primul strat de perovskit, apoi acoperirea stratului de transport al găurilor și al doilea strat de perovskit. , și evaporarea în vid a stratului de transport de electroni După și electrozi metalici, un cadru de bloc de celule solare de perovskit este „din cuptor” ca niște blocuri de construcție.

Nu este suficient să construiești o „casă”, trebuie și să fie bine proporționată și puternică. Tan Hairen a spus că atunci când a fost pregătit inițial blocul de baterie tandem perovskit, filmul era încă neuniform din cauza timpului lung de cristalizare al soluției. „Mai târziu, m-am gândit că dacă ar putea fi ca hârtie de imprimat, cerneala s-ar usca imediat după imprimare, ceea ce ar putea îmbunătăți calitatea și productivitatea filmului”.

Vizând dificultatea de a controla cristalizarea perovskitului cu bandă largă în procesul de acoperire, după mai multe încercări, echipa a crescut conținutul de cesiu al cationului A din componenta perovskită la 35% și a combinat cu metoda de acoperire a lamei de Cristalizarea asistată de aer pentru a accelera soluția După volatilizare, s-a obținut în cele din urmă o peliculă de perovskită plată și densă cu cea mai bună cristalinitate, care a pus bazele producției în masă a componentelor stivuite integral de perovskit.

De ce cesiul devine „Fiul Raiului” pentru a face bateriile formate rapid și stabil? Tan Hairen a prezentat: „Cesiul este un ion anorganic și nu este ușor volatil. Acesta va îmbunătăți stabilitatea termică a dispozitivului, va reduce tensiunea rețelei, va îmbunătăți fotostabilitatea dispozitivului, va reduce bariera de cristalizare și va accelera rata de nucleare a dispozitivului. dispozitiv."

Evitați ca diferite materiale să se „rănească” reciproc

„Teoretic, eficiența de conversie fotoelectrică a celulei solare perovskite cu un singur strat actual este de numai 33 la sută la cel mai mare, în timp ce structura cu două straturi poate ajunge până la 45 la sută. Cu cât eficiența generării de energie este mai mare, cu atât costul este mai mic.” Cercetare aprofundată pe termen lung, Let Tan Hairen să descopere că, pentru a realiza saltul de la „unu la doi” în structura internă a celulelor perovskite, trebuie să luăm în considerare, de asemenea, cum să „coexistăm armonios” între materialele dispozitivului.

„Într-un modul fotovoltaic de perovskit în tandem, există o structură de interconectare complexă în regiunea de conectare a fiecărei două sub-celule. Datorită contactului direct dintre stratul de absorbție a luminii perovskit și electrodul metalic din spate din regiunea de interconectare, ionii de halogen În perovskit, interdifuzia cu metalul din electrod va determina corodarea materialului metalic și scăderea proprietăților electrice ale materialului perovskit, ceea ce va afecta eficiența conversiei fotoelectrice a blocului bateriei." Tan Hairen a spus că, pentru a depăși această problemă, echipa a folosit stratul de absorbție a luminii perovskit și metalul din spate. Între electrozi, a fost pregătit un strat de strat de transport de electroni de dioxid de staniu prin depunerea stratului atomic.

„Dioxidul de staniu este un material semiconductor care poate fi cultivat într-un mediu cu temperatură scăzută și are o conductivitate electrică bună. Nu afectează contactul ohmic dintre electrodul metalic din zona de interconectare și electrodul transparent de oxid conductor de pe suprafața frontală. în același timp, stratul de transport de electroni de dioxid de staniu poate fi depus conform în regiunile interconectate dintre sub-celule, blocând contactul direct dintre perovskit și metal.Ca strat de transport de electroni în regiunea activă a celulei, previne și oxidarea. de perovskit cu bandă îngustă pe calea aerului, realizând pregătirea interconexiunii, testarea și ambalarea componentelor în condițiile atmosferice.” a explicat Tan Hairen.

Acest design inovator al structurii modulului îmbunătățește semnificativ repetabilitatea fabricării, performanța fotovoltaică și stabilitatea modulului. După cum a determinat Laboratorul Japonez pentru Siguranța Electrică și Tehnologia Mediului, eficiența de conversie fotoelectrică a acestui bloc de celule solare tandem din perovskit este de 21,7%, ceea ce reprezintă cea mai mare eficiență din lume raportată pentru modulele fotovoltaice perovskite. „Tabelul recordului mondial al bateriei solare” inclus.

Potențialul demonstrat de modulele fotovoltaice tandem de perovskit cu suprafață mare a inspirat echipa să aibă un spirit de luptă mai mare. Tan Hairen a spus că, dacă vrem să promovăm industrializarea acestei tehnologii, trebuie să facem mai multă cercetare și dezvoltare în procesul de imprimare și preparare a perovskitului. Este relativ simplu să prepari 20 de centimetri pătrați de cerneală, dar dacă se extinde la 1 metru pătrat, care condiții tehnice trebuie inovate, mai are nevoie de verificare continuă.