En la industria fotovoltaica, la perovskita ha tenido una gran demanda en los últimos años.La razón por la que se ha convertido en el “favorito” en el campo de las células solares se debe a sus condiciones únicas.El mineral de calcio y titanio tiene excelentes propiedades fotovoltaicas, un proceso de preparación simple y una amplia gama de materias primas y contenido abundante.Además, la perovskita también se puede utilizar en centrales eléctricas terrestres, aviación, construcción, dispositivos portátiles de generación de energía y muchos otros campos.
El 21 de marzo, Ningde Times solicitó la patente de la “célula solar de titanita de calcio y su método de preparación y dispositivo de energía”.En los últimos años, con el apoyo de políticas y medidas nacionales, la industria del mineral de calcio y titanio, representada por células solares de mineral de calcio y titanio, ha logrado grandes avances.Entonces, ¿qué es la perovskita?¿Cómo es la industrialización de la perovskita?¿Qué desafíos aún enfrentamos?El periodista del Science and Technology Daily entrevistó a los expertos pertinentes.
La perovskita no es calcio ni titanio.
Las llamadas perovskitas no son ni calcio ni titanio, sino un término genérico para una clase de “óxidos cerámicos” con la misma estructura cristalina, con la fórmula molecular ABX3.A significa "catión de radio grande", B significa "catión metálico" y X significa "anión halógeno".A significa "catión de radio grande", B significa "catión metálico" y X significa "anión halógeno".Estos tres iones pueden exhibir muchas propiedades físicas sorprendentes mediante la disposición de diferentes elementos o ajustando la distancia entre ellos, incluidos, entre otros, aislamiento, ferroelectricidad, antiferromagnetismo, efecto magnético gigante, etc.
"Según la composición elemental del material, las perovskitas se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: perovskitas complejas de óxidos metálicos, perovskitas híbridas orgánicas y perovskitas halogenadas inorgánicas".Luo Jingshan, profesor de la Escuela de Información Electrónica e Ingeniería Óptica de la Universidad de Nankai, explicó que las titanitas de calcio que ahora se utilizan en la energía fotovoltaica suelen ser las dos últimas.
La perovskita se puede utilizar en muchos campos, como plantas de energía terrestres, aeroespacial, construcción y dispositivos portátiles de generación de energía.Entre ellos, el campo fotovoltaico es el principal área de aplicación de la perovskita.Las estructuras de titanita de calcio son altamente diseñables y tienen muy buen rendimiento fotovoltaico, lo cual es una dirección de investigación popular en el campo fotovoltaico en los últimos años.
La industrialización de la perovskita se está acelerando y las empresas nacionales compiten por el diseño.Se informa que las primeras 5.000 piezas de módulos de mineral de calcio y titanio enviadas desde Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd;Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. también está acelerando la construcción de la línea piloto laminada de mineral de calcio y titanio completo de 150 MW más grande del mundo;Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. La línea de producción de módulos fotovoltaicos de mineral de calcio y titanio de 150 MW se completó y puso en funcionamiento en diciembre de 2022, y el valor de producción anual puede alcanzar los 300 millones de yuanes después de alcanzar la producción.
El mineral de calcio y titanio tiene ventajas obvias en la industria fotovoltaica
En la industria fotovoltaica, la perovskita ha tenido una gran demanda en los últimos años.La razón por la que se ha convertido en el “favorito” en el campo de las células solares se debe a sus condiciones únicas.
“En primer lugar, la perovskita tiene numerosas propiedades optoelectrónicas excelentes, como banda prohibida ajustable, alto coeficiente de absorción, baja energía de unión de excitones, alta movilidad del portador, alta tolerancia a defectos, etc.;en segundo lugar, el proceso de preparación de la perovskita es simple y puede lograr translucidez, ultraligera, ultradelgada, flexibilidad, etc. Finalmente, las materias primas de perovskita están ampliamente disponibles y son abundantes”.Presenta Luo Jingshan.Y la preparación de perovskita también requiere una pureza relativamente baja de las materias primas.
En la actualidad, el campo fotovoltaico utiliza una gran cantidad de células solares basadas en silicio, que se pueden dividir en células solares de silicio monocristalino, silicio policristalino y silicio amorfo.El polo teórico de conversión fotoeléctrica de las células de silicio cristalino es del 29,4%, y el entorno de laboratorio actual puede alcanzar un máximo del 26,7%, que está muy cerca del techo de conversión;Es previsible que la ganancia marginal de la mejora tecnológica también sea cada vez menor.Por el contrario, la eficiencia de conversión fotovoltaica de las células de perovskita tiene un valor de polo teórico más alto del 33%, y si dos células de perovskita se apilan juntas, la eficiencia de conversión teórica puede alcanzar el 45%.
Además de la “eficiencia”, otro factor importante es el “costo”.Por ejemplo, la razón por la que el coste de la primera generación de baterías de película delgada no puede bajar es que las reservas de cadmio y galio, elementos raros en la Tierra, son demasiado pequeñas y, en consecuencia, cuanto más desarrollada está la industria. Es decir, cuanto mayor es la demanda, mayor es el costo de producción y nunca ha podido convertirse en un producto convencional.Las materias primas de la perovskita se distribuyen en grandes cantidades en la tierra y el precio también es muy barato.
Además, el espesor del recubrimiento de mineral de calcio y titanio para las baterías de mineral de calcio y titanio es de sólo unos pocos cientos de nanómetros, aproximadamente 1/500 del de las obleas de silicio, lo que significa que la demanda del material es muy pequeña.Por ejemplo, la demanda mundial actual de material de silicio para células de silicio cristalino es de unas 500.000 toneladas al año, y si todas ellas se sustituyen por células de perovskita, sólo se necesitarán unas 1.000 toneladas de perovskita.
En términos de costos de fabricación, las celdas de silicio cristalino requieren una purificación del silicio del 99,9999%, por lo que el silicio debe calentarse a 1400 grados Celsius, fundirse en líquido, estirarse en varillas redondas y rodajas, y luego ensamblarse en celdas, con al menos cuatro fábricas y dos. a tres días de por medio, y mayor consumo energético.Por el contrario, para la producción de células de perovskita, sólo es necesario aplicar el líquido base de perovskita al sustrato y luego esperar la cristalización.Todo el proceso sólo implica vidrio, película adhesiva, perovskita y materiales químicos, y se puede completar en una fábrica, y todo el proceso sólo dura unos 45 minutos.
"Las células solares preparadas a partir de perovskita tienen una excelente eficiencia de conversión fotoeléctrica, que ha alcanzado el 25,7% en esta etapa, y pueden reemplazar a las células solares tradicionales basadas en silicio en el futuro para convertirse en la corriente comercial".Dijo Luo Jingshan.
Hay tres problemas principales que deben resolverse para promover la industrialización
Para avanzar en la industrialización de la calcocita, la gente todavía necesita resolver tres problemas, a saber, la estabilidad a largo plazo de la calcocita, la preparación de grandes áreas y la toxicidad del plomo.
En primer lugar, la perovskita es muy sensible al medio ambiente y factores como la temperatura, la humedad, la luz y la carga del circuito pueden provocar la descomposición de la perovskita y la reducción de la eficiencia de la celda.Actualmente, la mayoría de los módulos de perovskita de laboratorio no cumplen con la norma internacional IEC 61215 para productos fotovoltaicos, ni alcanzan la vida útil de 10 a 20 años de las células solares de silicio, por lo que el costo de la perovskita aún no es ventajoso en el campo fotovoltaico tradicional.Además, el mecanismo de degradación de la perovskita y sus dispositivos es muy complejo y no existe una comprensión muy clara del proceso en el campo, ni existe un estándar cuantitativo unificado, lo que es perjudicial para la investigación de la estabilidad.
Otra cuestión importante es cómo prepararlos a gran escala.Actualmente, cuando se realizan estudios de optimización de dispositivos en el laboratorio, el área de luz efectiva de los dispositivos utilizados suele ser inferior a 1 cm2, y cuando se trata de la etapa de aplicación comercial de componentes a gran escala, es necesario mejorar los métodos de preparación del laboratorio. o reemplazado.Los principales métodos actualmente aplicables para la preparación de películas de perovskita de gran superficie son el método de solución y el método de evaporación al vacío.En el método de solución, la concentración y proporción de la solución precursora, el tipo de disolvente y el tiempo de almacenamiento tienen un gran impacto en la calidad de las películas de perovskita.El método de evaporación al vacío prepara una deposición controlable y de buena calidad de películas de perovskita, pero nuevamente es difícil lograr un buen contacto entre los precursores y los sustratos.Además, debido a que la capa de transporte de carga del dispositivo de perovskita también debe prepararse en un área grande, en la producción industrial es necesario establecer una línea de producción con deposición continua de cada capa.En general, el proceso de preparación de áreas grandes de películas delgadas de perovskita aún necesita una mayor optimización.
Por último, la toxicidad del plomo también es motivo de preocupación.Durante el proceso de envejecimiento de los actuales dispositivos de perovskita de alta eficiencia, la perovskita se descompondrá para producir iones y monómeros de plomo libres, que serán peligrosos para la salud una vez que ingresen al cuerpo humano.
Luo Jingshan cree que problemas como la estabilidad se pueden resolver empaquetando el dispositivo."Si en el futuro se resuelven estos dos problemas, también existe un proceso de preparación maduro, también se pueden convertir dispositivos de perovskita en vidrio translúcido o en la superficie de los edificios para lograr la integración fotovoltaica en edificios, o convertirse en dispositivos plegables flexibles para la industria aeroespacial y otros campos, para que la perovskita en el espacio sin agua ni oxígeno desempeñe un papel máximo”.Luo Jingshan confía en el futuro de la perovskita.
Hora de publicación: 15-abr-2023