ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite เป็นที่ต้องการอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสาเหตุที่ทำให้โซลาร์เซลล์กลายเป็น "รายการโปรด" ในด้านเซลล์แสงอาทิตย์ก็เนื่องมาจากสภาพที่เป็นเอกลักษณ์แร่ไทเทเนียมแคลเซียมมีคุณสมบัติเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีเยี่ยม กระบวนการเตรียมการที่ง่ายดาย วัตถุดิบที่หลากหลายและเนื้อหาที่อุดมสมบูรณ์นอกจากนี้ เพอร์รอฟสไกต์ยังสามารถใช้ในโรงไฟฟ้าภาคพื้นดิน การบิน การก่อสร้าง อุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าแบบสวมใส่ได้ และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย
เมื่อวันที่ 21 มีนาคม Ningde Times ได้ยื่นขอสิทธิบัตร "เซลล์แสงอาทิตย์แคลเซียมไททาไนต์และวิธีการเตรียมและอุปกรณ์ไฟฟ้า"ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการสนับสนุนนโยบายและมาตรการภายในประเทศ อุตสาหกรรมแร่แคลเซียม-ไททาเนียม ซึ่งแสดงโดยเซลล์แสงอาทิตย์แร่แคลเซียม-ไททาเนียม มีความก้าวหน้าอย่างมากแล้วเพอร์รอฟสไกต์คืออะไร?อุตสาหกรรมของ perovskite เป็นอย่างไร?ยังคงเผชิญกับความท้าทายอะไรบ้าง?นักข่าววิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวันสัมภาษณ์ผู้เชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้อง
Perovskite ไม่ใช่แคลเซียมหรือไทเทเนียม
สิ่งที่เรียกว่าเปอร์รอฟสกี้นั้นไม่ใช่แคลเซียมหรือไททาเนียม แต่เป็นคำทั่วไปสำหรับประเภทของ "เซรามิกออกไซด์" ที่มีโครงสร้างผลึกเหมือนกัน โดยมีสูตรโมเลกุล ABX3A ย่อมาจาก “ไอออนบวกที่มีรัศมีขนาดใหญ่”, B หมายถึง “ไอออนบวกของโลหะ” และ X หมายถึง “ไอออนฮาโลเจน”A ย่อมาจาก “ไอออนบวกที่มีรัศมีขนาดใหญ่” B ย่อมาจาก “ไอออนบวกของโลหะ” และ X ย่อมาจาก “ไอออนฮาโลเจน”ไอออนทั้งสามชนิดนี้สามารถแสดงคุณสมบัติทางกายภาพที่น่าทึ่งมากมายผ่านการจัดเรียงองค์ประกอบต่างๆ หรือโดยการปรับระยะห่างระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้น ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงฉนวน ความเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก การต้านแม่เหล็กไฟฟ้า เอฟเฟกต์แม่เหล็กขนาดยักษ์ ฯลฯ
“ตามองค์ประกอบองค์ประกอบของวัสดุ เพอร์รอฟสกี้สามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ เปอร์รอฟสกีต์ออกไซด์ของโลหะเชิงซ้อน เปอร์รอฟสกีต์ลูกผสมอินทรีย์ และเปอร์รอฟสกีต์ฮาโลเจนแบบอนินทรีย์”Luo Jingshan ศาสตราจารย์จาก School of Electronic Information and Optical Engineering ของ Nankai University แนะนำว่าแคลเซียมไททาไนต์ที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะเป็นสองตัวหลัง
เพอร์รอฟสไกต์สามารถใช้ได้ในหลายสาขา เช่น โรงไฟฟ้าภาคพื้นดิน การบินและอวกาศ การก่อสร้าง และอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าแบบสวมใส่ได้ในหมู่พวกเขา สนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เป็นพื้นที่ใช้งานหลักของเพอร์รอฟสไกต์โครงสร้างแคลเซียมไททาไนต์ได้รับการออกแบบได้สูงและมีประสิทธิภาพไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ดีมาก ซึ่งเป็นแนวทางการวิจัยยอดนิยมในสาขาไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
การพัฒนาอุตสาหกรรมของ perovskite กำลังเร่งตัวขึ้น และองค์กรในประเทศกำลังแข่งขันกันเพื่อเค้าโครงนี้มีรายงานว่าโมดูลแร่แคลเซียมไททาเนียม 5,000 ชิ้นแรกที่จัดส่งจาก Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd;Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. ยังเร่งก่อสร้างสายการผลิตนำร่องเคลือบแร่แคลเซียมไททาเนียมเต็มรูปแบบขนาด 150 เมกะวัตต์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกKunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. สายการผลิตโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แร่แคลเซียม-ไททาเนียมขนาด 150 เมกะวัตต์เสร็จสมบูรณ์และเปิดดำเนินการในเดือนธันวาคม 2565 และมูลค่าผลผลิตต่อปีอาจสูงถึง 300 ล้านหยวนหลังจากบรรลุการผลิต
แร่แคลเซียมไทเทเนียมมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในอุตสาหกรรมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite เป็นที่ต้องการอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสาเหตุที่ทำให้โซลาร์เซลล์กลายเป็น "ตัวโปรด" ในด้านเซลล์แสงอาทิตย์ก็เนื่องมาจากสภาวะเฉพาะตัวของมันเอง
“ประการแรก perovskite มีคุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมมากมาย เช่น ช่องว่างของแถบที่ปรับได้ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับสูง พลังงานยึดเกาะของ exciton ต่ำ ความคล่องตัวของพาหะสูง ความทนทานต่อข้อบกพร่องสูง ฯลฯประการที่สอง กระบวนการเตรียมเพอร์รอฟสไกต์นั้นเรียบง่ายและสามารถบรรลุถึงความโปร่งแสง ความเบาเป็นพิเศษ ความบางเป็นพิเศษ ความยืดหยุ่น ฯลฯ สุดท้ายนี้ วัตถุดิบของเพอร์รอฟสไกต์นั้นมีอยู่อย่างกว้างขวางและมีอยู่มากมาย”หลัวจิงซานแนะนำตัวและการเตรียมเพอร์รอฟสไกต์ยังต้องใช้วัตถุดิบที่มีความบริสุทธิ์ค่อนข้างต่ำอีกด้วย
ปัจจุบัน สนาม PV ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนจำนวนมาก ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโมโนคริสตัลไลน์ ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ และเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนอสัณฐานขั้วแปลงโฟโตอิเล็กทริกตามทฤษฎีของเซลล์ซิลิคอนผลึกคือ 29.4% และสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการในปัจจุบันสามารถเข้าถึงได้สูงสุด 26.7% ซึ่งใกล้กับเพดานของการแปลงมากเป็นที่คาดการณ์ได้ว่าผลประโยชน์ส่วนเพิ่มจากการปรับปรุงเทคโนโลยีจะน้อยลงเรื่อยๆในทางตรงกันข้าม ประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ของเพอร์รอฟสไกต์มีค่าขั้วทางทฤษฎีสูงกว่า 33% และหากเซลล์เพอรอฟสไกต์สองเซลล์เรียงซ้อนกันขึ้นและลงด้วยกัน ประสิทธิภาพการแปลงทางทฤษฎีจะสูงถึง 45%
นอกจาก “ประสิทธิภาพ” แล้ว ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งก็คือ “ต้นทุน”เช่น สาเหตุที่ราคาแบตเตอรี่ฟิล์มบางรุ่นแรกไม่สามารถลดลงได้ก็เพราะปริมาณสำรองของแคดเมียมและแกลเลียมซึ่งเป็นธาตุหายากบนโลกนั้นน้อยเกินไปและส่งผลให้อุตสาหกรรมมีการพัฒนามากขึ้น คือยิ่งมีความต้องการมากต้นทุนการผลิตก็จะสูงขึ้นและไม่เคยกลายเป็นสินค้ากระแสหลักเลยวัตถุดิบของเพอร์รอฟสไกต์มีการกระจายในปริมาณมากบนโลกและราคาก็ถูกมากเช่นกัน
นอกจากนี้ ความหนาของการเคลือบแร่แคลเซียม-ไทเทเนียมสำหรับแบตเตอรี่แร่แคลเซียม-ไทเทเนียมนั้นมีเพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตร หรือประมาณ 1/500 ของความหนาของเวเฟอร์ซิลิคอน ซึ่งหมายความว่าความต้องการวัสดุมีน้อยมากตัวอย่างเช่น ความต้องการวัสดุซิลิคอนทั่วโลกในปัจจุบันสำหรับเซลล์ซิลิคอนแบบผลึกอยู่ที่ประมาณ 500,000 ตันต่อปี และหากทั้งหมดถูกแทนที่ด้วยเซลล์เพอร์รอฟสไกต์ ก็จะต้องใช้เพอร์รอฟสไกต์เพียงประมาณ 1,000 ตันเท่านั้น
ในด้านต้นทุนการผลิต เซลล์ผลึกซิลิกอนจำเป็นต้องมีการทำให้ซิลิกอนบริสุทธิ์ถึง 99.9999% ดังนั้นซิลิกอนจะต้องได้รับความร้อนถึง 1,400 องศาเซลเซียส ละลายเป็นของเหลว ดึงเป็นแท่งกลมและชิ้น แล้วประกอบเป็นเซลล์ โดยมีโรงงานอย่างน้อย 4 แห่ง และ 2 แห่ง เป็นเวลาสามวันระหว่างนั้น และใช้พลังงานมากขึ้นในทางตรงกันข้าม สำหรับการผลิตเซลล์เพอร์รอฟสไกต์ จำเป็นต้องใช้ของเหลวที่เป็นฐานของเพอร์รอฟสไกต์กับซับสเตรตแล้วรอจนเกิดการตกผลึกกระบวนการทั้งหมดเกี่ยวข้องกับแก้ว ฟิล์มกาว เพอร์รอฟสไกต์ และวัสดุเคมีเท่านั้น และสามารถทำได้ในโรงงานแห่งเดียว และกระบวนการทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 45 นาทีเท่านั้น
“เซลล์แสงอาทิตย์ที่เตรียมจาก perovskite มีประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกที่ดีเยี่ยม ซึ่งสูงถึง 25.7% ในระยะนี้ และอาจเข้ามาแทนที่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมในอนาคตเพื่อให้กลายเป็นกระแสหลักในเชิงพาณิชย์”หลัวจิงซานกล่าว
มีปัญหาสำคัญสามประการที่ต้องแก้ไขเพื่อส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรม
ในการพัฒนาอุตสาหกรรมคอลโคไซต์ให้ก้าวหน้า ผู้คนยังคงต้องแก้ไขปัญหา 3 ประการ ได้แก่ ความคงตัวในระยะยาวของคอลโคไซต์ การเตรียมพื้นที่ขนาดใหญ่ และความเป็นพิษของสารตะกั่ว
ประการแรก เพอร์รอฟสไกต์ไวต่อสิ่งแวดล้อมมาก และปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความชื้น แสง และโหลดของวงจร สามารถนำไปสู่การสลายตัวของเพอร์รอฟสไกต์และประสิทธิภาพของเซลล์ลดลงปัจจุบันโมดูลเพอร์รอฟสไกต์ในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ไม่ตรงตามมาตรฐานสากล IEC 61215 สำหรับผลิตภัณฑ์เซลล์แสงอาทิตย์ และไม่ได้มีอายุการใช้งาน 10-20 ปีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน ดังนั้นต้นทุนของเพอร์รอฟสไกต์จึงยังไม่ได้เปรียบในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมนอกจากนี้ กลไกการย่อยสลายของเพอร์รอฟสไกต์และอุปกรณ์ของมันมีความซับซ้อนมาก และไม่มีความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับกระบวนการในภาคสนาม และไม่มีมาตรฐานเชิงปริมาณที่เป็นหนึ่งเดียว ซึ่งเป็นอันตรายต่อการวิจัยความเสถียร
ปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งคือวิธีการเตรียมตัวในวงกว้างในปัจจุบัน เมื่อมีการศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการ พื้นที่แสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้มักจะน้อยกว่า 1 ซม.2 และเมื่อเป็นขั้นตอนการใช้งานเชิงพาณิชย์ของส่วนประกอบขนาดใหญ่ จำเป็นต้องปรับปรุงวิธีเตรียมในห้องปฏิบัติการ หรือถูกแทนที่วิธีการหลักที่ใช้ในปัจจุบันในการเตรียมฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ในพื้นที่ขนาดใหญ่คือวิธีการแก้ปัญหาและวิธีการระเหยแบบสุญญากาศในวิธีการแก้ปัญหา ความเข้มข้นและอัตราส่วนของสารละลายตั้งต้น ประเภทของตัวทำละลาย และระยะเวลาในการเก็บรักษามีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์วิธีการระเหยแบบสุญญากาศจะเตรียมคุณภาพที่ดีและการสะสมตัวของฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ที่ควบคุมได้ แต่ก็เป็นเรื่องยากอีกครั้งที่จะได้การสัมผัสที่ดีระหว่างสารตั้งต้นและซับสเตรตนอกจากนี้ เนื่องจากจำเป็นต้องเตรียมชั้นการขนส่งประจุของอุปกรณ์ perovskite ในพื้นที่ขนาดใหญ่ จึงต้องสร้างสายการผลิตที่มีการสะสมอย่างต่อเนื่องของแต่ละชั้นในการผลิตทางอุตสาหกรรมโดยรวมแล้ว กระบวนการเตรียมฟิล์มบางของเพอร์รอฟสไกต์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงต้องการการปรับให้เหมาะสมเพิ่มเติม
สุดท้ายนี้ ความเป็นพิษของสารตะกั่วก็เป็นประเด็นที่น่ากังวลเช่นกันในระหว่างกระบวนการชราของอุปกรณ์ perovskite ที่มีประสิทธิภาพสูงในปัจจุบัน perovskite จะสลายตัวเพื่อผลิตไอออนตะกั่วและโมโนเมอร์อิสระ ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสุขภาพเมื่อเข้าสู่ร่างกายมนุษย์
Luo Jingshan เชื่อว่าปัญหาต่างๆ เช่น ความเสถียรสามารถแก้ไขได้ด้วยการบรรจุอุปกรณ์“หากในอนาคต ปัญหาทั้งสองนี้ได้รับการแก้ไขแล้ว ก็ยังมีขั้นตอนการเตรียมการที่ครบถ้วน สามารถสร้างอุปกรณ์ perovskite ให้เป็นกระจกโปร่งแสง หรือทำบนพื้นผิวของอาคารเพื่อให้เกิดการรวมอาคารไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ หรือสร้างเป็นอุปกรณ์พับได้แบบยืดหยุ่นสำหรับการบินและอวกาศและ สาขาอื่นๆ ดังนั้น perovskite ในอวกาศที่ไม่มีน้ำและออกซิเจนจะมีบทบาทสูงสุด”Luo Jingshan มั่นใจเกี่ยวกับอนาคตของ perovskite
เวลาโพสต์: 15 เมษายน-2023