Utviklingsstatus og forslag til Perovskite fotovoltaisk teknologi

Som en fremvoksende tredjegenerasjons solcelleteknologi har perovskittsolceller økt sin fotoelektriske konverteringseffektivitet fra 3,8 % til 25,7 % på drøyt ti år siden lanseringen i 2009. Ettersom effektiviteten til krystallinske silisiumsolceller gradvis nærmer seg den teoretiske grensen, er høy -effektive, rimelige perovskittceller har tiltrukket seg mer og mer oppmerksomhet fra den globale solcelleindustrien. Mens den akademiske forskningen fortsetter å bli utført i dybden, har industrialiseringsteknologien til perovskitt solceller også gjort kontinuerlige gjennombrudd. Som verdens største solcelleland har landet mitt lenge opprettholdt en ledende posisjon innen krystallinsk silisium solceller; og i det nye feltet av perovskitt solceller, er det på samme startlinje som andre land.

1. Utviklingsstatus for Perovskite fotovoltaisk teknologi

Perovskittsolceller bruker perovskittstrukturerte halogenider som lysabsorberende lagmaterialer, som har egenskapene til justerbart båndgap, høy lysabsorpsjonskoeffisient, lav temperaturkoeffisient, tynnhet og fleksibilitet, og er for tiden den mest lovende nye typen storskala applikasjoner. . Solcellebatteri. Etter mer enn ti år med forskning har de grunnleggende prinsippene, materialformuleringene og ytelsesoptimaliseringsveiene til perovskitt solceller gradvis tatt form. Samtidig gir masseproduksjonsprosessen av krystallinske silisium fotovoltaiske celler og moduler og full lokalisering av produksjonslinjeutstyr en ledende referanse for industrialiseringen av perovskitt fotovoltaisk teknologi. De siste årene har FoU-team fra universiteter og vitenskapelige forskningsinstitutter og celle, modul- og utstyrsprodusenter innen krystallinsk silisium fotovoltaikk har investert i forskning og utvikling av perovskitt fotovoltaisk teknologi. Det er gjort betydelige fremskritt innen fotovoltaiske moduler og produksjonsutstyr for perovskittmoduler.

(1) Forskningsstatus for perovskittsolceller

Høy effektivitet er den mest overbevisende fordelen med perovskittsolceller. Den teoretiske grenseeffektiviteten til perovskittceller er 33 %, mye høyere enn 29,4 % av krystallinske silisiumceller. Ved å optimalisere komponentene, mikrostrukturen og klargjøringsprosessen til batteriet, har effektiviteten til perovskittbatterier tilberedt i laboratoriet gjentatte ganger nådd nye høyder. I juli 2022 oppnådde perovskittbatteriet utviklet av Institute of Semiconductors ved det kinesiske vitenskapsakademiet en sertifisert effektivitet på 25,6 %, nest etter verdens høyeste effektivitetsrekord på 25,7 % opprettet av Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) ) i Sør-Korea i 2021.

Det spektrale responsområdet til perovskittbatterier er 300-800 nanometer, det vil si det synlige lysbåndet, mens krystallinske silisiumbatterier, kobberindiumgalliumselenid (CIGS) batterier osv. kan absorbere og utnytte infrarødt lys. Derfor kan det å kombinere perovskittceller med krystallinsk silisium, CIGS og andre celler for å danne en laminert celle gjøre full bruk av lyset i hvert bånd og oppnå høyere fotoelektrisk konverteringseffektivitet. Selve perovskittcellen kan også endre absorpsjonsområdet for lys ved å justere båndgapet. Ved å kombinere bredbånds- og perovskittceller med smalt bånd til stablede celler, kan den fotoelektriske konverteringseffektiviteten forbedres betydelig. I juni 2022 utviklet Nanjing University et perovskitt/perovskittstabelbatteri med en effektivitet på 28,0 %, og satte en ny verdensrekord.

Fleksible perovskittbatterier og innendørs perovskittbatterier egnet for bruksområder som bygninger, bærbare enheter og forbruksvarer er også aktuelle forskningshotspots. Den høyeste effektiviteten til det fleksible perovskittbatteriet utviklet av Tsinghua University er 23,6 %, og setter ny verdensrekord; verdens høyeste effektivitet av innendørs perovskittbatteri vedlikeholdes av Shaanxi Normal University. Under innendørslyset på 824,5 lux er batterieffektiviteten så høy som 40,1 %.

mitt lands forskning på perovskittsolceller utvikler seg i samme tempo som verden, og flere forskerteam er på verdens førsteklasses nivå. De fruktbare resultatene av laboratorieforskning har gitt tilstrekkelig teoretisk veiledning for industrialiseringen av perovskitt solceller i mitt land. Akademia og industri har gjennomført et dyptgående samarbeid for kontinuerlig å fremme transformasjon av laboratorieforskningsresultater til vektorproduksjonsteknologi.

(2) Utviklingsstatus for perovskitt fotovoltaisk modulteknologi

Perovskitt solcellemoduler er tynnfilmmoduler, som er laget ved å sekvensielt avsette forskjellige lag med tynne filmer av perovskittceller på glass og kapsle dem inn. Hulltransportlaget, elektrontransportlaget, motelektroden og andre tynne filmer i batteriet fremstilles vanligvis ved vakuumavsetningsmetode, mens forberedelsesprosessen for perovskittabsorpsjonslag er delt inn i våtmetode og tørrmetode. Den typiske våte prosessen, som spaltebeleggmetoden, har en relativt enkel utstyrsstruktur og er lett å utvide beleggområdet til batterifilmen fra millimeternivået som er utarbeidet i laboratoriet til titalls centimeter, så det brukes i dag av de fleste av testproduksjonslinjene. Men med tanke på at å øke modulområdet vil stille høyere krav til filmkvalitet,

På grunn av vanskeligheten med kvalitetskontroll av store tynne filmer, jo større arealet av perovskittkomponenten er, desto større fall i effektivitet. For tiden kan effektiviteten til små moduler på titalls kvadratcentimeter nå mer enn 20%, effektiviteten til moduler på hundrevis av kvadratcentimeter kan nå 18%, mens effektiviteten til moduler større enn 0,1 kvadratmeter bare er omtrent 16%. Det kan sees at effektiviteten til storskala perovskittkomponenter egnet for storskalaapplikasjoner fortsatt må forbedres.

Produksjonslinjene for perovskittkomponenter som er foreløpig ferdigstilt og under konstruksjon er alle testlinjer på 100 megawatt eller mindre, og den absorberende perovskittfilmen er belagt med våtmetode. Basert på produksjonslinjeforhold som ligner på masseproduksjon, forventes materialformelen, produksjonsprosessen og produktspesifikasjonsdesignen til komponenter raskt å bli optimalisert.

Hovedforskjellen mellom perovskitt/krystallinsk silisium stablede komponenter og konvensjonelle perovskittkomponenter er at perovskittcellefilmen ikke avsettes direkte på hele glasset, men på den krystallinske silisiumcellen. På den ene siden reduserer det mindre filmområdet størrelseskravene til filmavsetningsutstyr, og koblingen med produksjonslinjen for krystallinske silisiumceller bidrar også til å redusere produksjonskostnadene; på den annen side, perovskittceller må bindes med krystallinske silisiumceller gap-matching, batteridesignet er vanskeligere. For tiden er den høyeste effektiviteten av 20 kvadratcentimeter perovskitt/krystallinsk silisium laminerte moduler utarbeidet i laboratoriet 26,63 %, men ingen pilotlinje med perovskittlaminerte moduler er ferdigstilt og satt i produksjon.

I tillegg, basert på de lette, tynne og gjennomskinnelige egenskapene til perovskittbatterier, utvikler noen forskningsinstitusjoner og produsenter fleksible og fargede komponenter. Disse spesielle komponentene forventes å bli brukt i bærbare enheter, konstruksjon og andre scenarier.

2. Utfordringer som industrialiseringen av perovskitt solceller står overfor

(1) Stabiliteten til perovskittbatterier i langsiktig tjeneste

Stabilitetsspørsmålet til perovskittsolceller er hovedutfordringen for praktiske anvendelser. Under stimulering av ytre forhold som vanndamp, høy temperatur og ultrafiolett stråling, er perovskittbatterier utsatt for nedbrytning og ytelsen deres er alvorlig svekket. Det er to hovedtiltak for å forbedre stabiliteten til perovskittbatterier. Den ene er å optimalisere komponentene og mikrostrukturen til selve batteriet, og den andre er å optimalisere emballasjematerialene og pakkeprosessene til perovskitt solcellemoduler.

Noen produsenter har kunngjort at de prøveproduserte modulproduktene har bestått modulstabilitetstesten utført i samsvar med internasjonale standarder anerkjent av solcelleindustrien som IEC 61215, og basert på dette spekuleres det i at levetiden til perovskittmoduler er tilsvarende til krystallinske silisiummoduler, som kan sikre en levetid på 25 år. Etter et år forblir kraftproduksjonseffektiviteten over 80 % av startverdien. Men med tanke på at perovskittkomponenter ennå ikke er masseprodusert og påført, gjenstår deres stabilitet i faktiske servicemiljøer som høy temperatur, høy luftfuktighet og høy saltspray å bli testet.

(2) Effektivitets- og kvalitetsproblemer for store perovskittkomponenter

Effektiviteten og kvaliteten til store perovskittkomponenter er lav, hovedsakelig på grunn av det begrensede utstyret og prosessnivået for tynnfilmavsetninger med stort område. Forskjellig fra modusen for å koble flere små-arealceller i serie og parallelt i den krystallinske silisiummodulen, når beleggsområdet til perovskittmodulen kvadratmeternivået. For tiden er det et gap mellom ensartet og kontinuerlig beleggsytelse for innenlandsk vakuumbeleggutstyr og det internasjonale avanserte nivået. I tillegg er prosessfeilsøking på produksjonslinjen for store overflatebelegg også relativt vanskelig.

(3) Kortkortproblemer med nøkkelkomponenter i fotovoltaisk produksjonslinjeutstyr

Etter år med rask utvikling, har mitt lands solcelleindustri i utgangspunktet innsett lokaliseringen av hele produksjonslinjen med utstyr, men noen nøkkelkomponenter i utstyret er fortsatt avhengige av import. For eksempel har vakuumpumper, radiofrekvensstrømforsyninger, ventiler etc. i vakuumbeleggutstyr, lasere, vibrerende speil etc. i laseretseutstyr et stort gap med internasjonale mainstream-produsenter når det gjelder tekniske indikatorer og kvalitetspålitelighet. Selv om mitt lands produsenter av fotovoltaisk produksjonslinjeutstyr har vært involvert i utviklingen av produksjonsutstyr for perovskittmoduler tidligere, og har oppnådd foreløpige resultater, slik at mitt lands perovskittmodul liten test, pilottest og masseproduksjonslinjer alltid har opprettholdt en høy grad av lokalisering,

3. Forslag for å fremme industrialiseringen av perovskitt solceller

(1) Effektivt spille den ledende rollen til myndighetene

Perovskite solcelleteknologi, ettersom en ny generasjon solcelleteknologi med de mest lovende storskala applikasjonsutsiktene, har fått oppmerksomheten til nasjonal energi og teknologimyndigheter, akademia, industri og ulike investeringsenheter. Imidlertid er det hype-konsepter og blindt følge trenden i det nåværende markedet, noe som kan ha en negativ innvirkning på den solide utviklingen av industrialiseringen av perovskitt solcelleteknologi.

For å fremme effektiv og ryddig industrialisering av perovskitt-fotovoltaisk teknologi, bør den regulerende og veiledende rollen til de nasjonale energi- og vitenskaps- og teknologimyndighetene utnyttes fullt ut til å formulere tekniske indikatorer og innføre insentivpolitikk; etablere en "statlig-industri-universitet-forskning-applikasjon" koordineringsmekanisme for å oppmuntre ulike Ulike tekniske ruter, ulike FoU og markedsenheter deltar bredt i industrialiseringsprosessen av perovskitt solcelleteknologi; holde seg til begrepet åpenhet og samarbeid, veilede den nasjonale og internasjonale toveisflyten av teknologi, talenter, kapital, etc., og insistere på å "invitere inn" og "gå ut". Vær like oppmerksom på aktivt å skape en omfattende og dypt integrert internasjonal industriøkologi; oppmuntre statseid kapital til å støtte industrialiseringen av perovskitt solcelleteknologi i ulike former, og veilede den sunne utviklingen av industrien gjennom markedsmidler.

Lokale myndigheter på alle nivåer bør seriøst implementere nasjonale politiske krav som "14. femårsplan for vitenskapelig og teknologisk innovasjon på energifeltet" og "Vitenskap og teknologistøtte Carbon Peak Carbon Neutrality Implementation Plan (2022-2030)" for å formulere og fremme industrialiseringen av perovskitt solceller Spesifikke planer og insentivpolitikk, følg prinsippene for vitenskap, pragmatisme og strenghet, og fremme sunn utvikling av perovskitt solcelleindustrien kjedekoblinger som er egnet for denne regionen.

(2) Tverrfaglig samarbeid for å danne en felles styrke

Laboratorieforskningen og utviklingen av perovskitt fotovoltaisk teknologi ledes hovedsakelig av forskere innen materialvitenskap, kjemi og fysikk. Når det går inn i industrialiseringsstadiet, involverer det flere tekniske felt og flere ledd i industrikjeden. Samarbeid innen flere fagfelt er nødvendig. Spesielt er det nødvendig å aktivt introdusere avanserte teknologier i ulike fagfelt for å forbedre effektiviteten og effekten av perovskitt solcelle-industrialisering. For eksempel å bruke maskinlæring, big data og andre teknologier for å erstatte alle manuelle metoder til en viss grad, utføre eksperimenter med høy gjennomstrømning, effektivt og nøyaktig screene materialene, formuleringene og produksjonsprosessforholdene til perovskitt fotovoltaiske moduler, og i stor grad forbedre produksjonslinjens materialer og produksjonskapasitet. Hastigheten på prosessoptimalisering; ved å trekke på avansert teknologi innen feltbelegg for store skjermpaneler, halvlederbehandling, prosessering av optiske elementer og andre felt og produksjonsutstyr, for å bidra til å forbedre kvaliteten på belegg av perovskite fotovoltaiske moduler.

(3) Fremskynde demonstrasjons- og demonstrasjonsanvendelsen av perovskitt-fotovoltaiske produkter.

Potensielle risikoer som ustabilitet og lekkasje av giftige metaller fra perovskitt-fotovoltaiske moduler vil hindre bruken i stor skala. Derfor er det nødvendig å finne ut den faktiske tjenesteytelsen og sikkerheten gjennom et stort antall empiriske tester og demonstrasjonsapplikasjoner så snart som mulig, for å nøyaktig vurdere applikasjonsrisikoen og gi vitenskapelig støtte for promotering og anvendelse.

Den jevne utviklingen av demonstrasjons- og demonstrasjonsapplikasjoner av perovskitt-solcelleprodukter krever samarbeid mellom brukerenheter og kraftnettbedrifter med perovskitt-fotovoltaiske produktprodusenter, produsenter av fotovoltaiske systemer, test- og sertifiseringsenheter, design- og konstruksjonsenheter, etc., for å åpne opp alle aspekter ved prosjektimplementering, for å skape et åpent og inkluderende applikasjonsmiljø.

(4) Konstruere et standardsystem for perovskitt solcelleteknologi i tide, og aktivt arbeide for å mestre taleretten i internasjonale standarder

For å sikre at produksjons- og applikasjonsteknologien til perovskitt solcelleprodukter er standardisert, systematisk, skalerbar og kompatibel med det eksisterende solcelleapplikasjonsteknologisystemet, bør et standardsystem etableres samtidig i prosessen med perovskitt fotovoltaisk industrialisering. Konstruksjonen av perovskitt fotovoltaisk standardsystem bør være basert på dagens standardsystem for fotovoltaisk teknologi, møte applikasjonskravene, fullt ut reflektere egenskapene til produksjon og anvendelse av perovskitt fotovoltaiske produkter, og ta hensyn til den kontinuerlige utviklingen og endringen av perovskitt solceller teknologi. Ut fra den faktiske situasjonen bør både standardisering og fleksibilitet tas i betraktning.

Etableringen av det nåværende fotovoltaiske internasjonale standardsystemet oppsto på 1980-tallet. mitt lands krystallinske silisium fotovoltaiske industri, som en stigende stjerne, utviklet under rammen av det eksisterende internasjonale standardsystemet, og ga lite originale bidrag i utformingen av internasjonale standarder. Deltakelsen i internasjonale standardorganisasjoner er relativt lav, og taleretten er svak. Innenfor perovskitt-fotovoltaikk er mitt lands forskningsnivå sammenlignbart med det i verden, og industrialiseringens fremgang og skala har en liten fordel. Derfor bør vi gripe muligheten til å aktivt støtte mitt lands perovskitt-fotovoltaiske felt, spesielt tekniske eksperter på frontlinjen av industrialisering.