Стан розвитку та пропозиції перовскітної фотоелектричної технології

Будучи новою фотоелектричною технологією третього покоління, перовскітові сонячні батареї підвищили свою ефективність фотоелектричного перетворення з 3,8% до 25,7% лише за десять років після їх запуску в 2009 році. Оскільки ефективність кристалічних кремнієвих сонячних елементів поступово наближається до теоретичної межі, висока -ефективні, недорогі перовскітові елементи привертають все більше уваги світової фотоелектричної промисловості. Незважаючи на те, що академічні дослідження продовжують проводитися поглиблено, технологія індустріалізації перовскітних фотоелектричних елементів також досягла постійних проривів. Будучи найбільшою у світі фотоелектричною країною, моя країна протягом тривалого часу зберігає лідируючі позиції в галузі кристалічної кремнієвої фотоелектричної енергії; і в новій галузі перовскітної фотоелектричної енергії вона знаходиться на тій самій стартовій лінії, що й інші країни.

1. Стан розвитку перовскітної фотоелектричної технології

Перовскітні сонячні батареї використовують перовскіт-структуровані галогеніди як світлопоглинальні шарові матеріали, які мають характеристики регульованої забороненої зони, високий коефіцієнт поглинання світла, низький температурний коефіцієнт, тонкість і гнучкість, і в даний час є найбільш перспективним новим типом широкомасштабного застосування . Сонячна батарея. Після більш ніж десяти років досліджень основні принципи, склади матеріалів і шляхи оптимізації продуктивності перовскітних фотоелектричних елементів поступово сформувалися. У той же час, процес масового виробництва кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів і модулів і повна локалізація обладнання виробничої лінії забезпечують провідний орієнтир для індустріалізації перовскітної фотоелектричної технології. Останніми роками дослідницькі групи з університетів, науково-дослідних інститутів і клітин, Виробники модулів і обладнання в галузі кристалічної кремнієвої фотоелектричної енергії інвестували в дослідження та розробку перовскітної фотоелектричної технології. Значного прогресу досягнуто у виробництві фотоелектричних модулів та обладнання для виробництва перовскітних модулів.

(1) Статус дослідження перовскітних сонячних елементів

Висока ефективність є найбільш переконливою перевагою перовскітних сонячних елементів. Теоретична гранична ефективність перовскітних елементів становить 33%, що набагато вище, ніж 29,4% кристалічних кремнієвих елементів. Завдяки оптимізації компонентів, мікроструктури та процесу підготовки батареї ефективність перовскітних батарей, виготовлених у лабораторії, неодноразово досягала нових максимумів. У липні 2022 року перовскітова батарея, розроблена Інститутом напівпровідників Академії наук Китаю, отримала сертифіковану ефективність 25,6%, поступившись лише найвищому світовому рекорду ефективності 25,7%, створеному Ульсанським національним інститутом науки і технологій (UNIST). ) у Південній Кореї у 2021 році.

Спектральний діапазон відгуку перовскітових батарей становить 300-800 нанометрів, тобто смуга видимого світла, тоді як кристалічні кремнієві батареї, мідно-індій-галій-селенідні батареї (CIGS) тощо можуть поглинати та використовувати інфрачервоне світло. Таким чином, комбінування перовскітних елементів із кристалічним кремнієм, CIGS та іншими елементами для формування багатошарової клітини може повністю використовувати світло в кожній смузі та отримати вищу ефективність фотоелектричного перетворення. Сама перовскітова комірка також може змінювати діапазон поглинання світла шляхом регулювання ширини забороненої зони. Поєднання широкозонних і вузькозонних перовскітних комірок у багатошарові комірки може значно підвищити ефективність фотоелектричного перетворення. У червні 2022 року Нанкінський університет розробив перовскіт/перовскітовий батарею з ефективністю 28,0%, встановивши новий світовий рекорд.

Гнучкі перовскітові батареї та перовскітові батареї для приміщень, придатні для таких застосувань, як будівлі, портативні пристрої та споживчі товари, також є актуальними гарячими точками досліджень. Найвищий ККД гнучкої перовскітової батареї, розробленої Університетом Цінхуа, становить 23,6%, встановивши новий світовий рекорд; на даний момент найвища в світі ефективність внутрішньої перовскітової батареї підтримується педагогічним університетом Шеньсі. При внутрішньому освітленні 824,5 люкс ефективність батареї досягає 40,1%.

Дослідження перовскітових сонячних батарей у моїй країні розвиваються такими ж темпами, як і світ, і кілька дослідницьких груп знаходяться на першокласному світовому рівні. Плідні результати лабораторних досліджень забезпечили достатнє теоретичне керівництво для індустріалізації перовскітних фотоелектричних елементів у моїй країні. Академічні кола та промисловість здійснили поглиблену співпрацю, щоб постійно сприяти перетворенню результатів лабораторних досліджень у технологію виробництва векторів.

(2) Стан розвитку технології перовскітних фотоелектричних модулів

Перовскітні фотоелектричні модулі - це тонкоплівкові модулі, які виготовляються шляхом послідовного нанесення різних шарів тонких плівок перовскітних комірок на скло та їх капсулювання. Дірковий транспортний шар, електротранспортний шар, протиелектрод та інші тонкі плівки в батареї зазвичай готують методом вакуумного осадження, тоді як процес підготовки шару поглинання перовскіту поділяється на мокрий метод і сухий метод. Типовий мокрий процес, такий як метод нанесення покриття щілинами, має відносно просту конструкцію обладнання та дозволяє легко розширити площу покриття плівки батареї від міліметрового рівня, підготовленого в лабораторії, до десятків сантиметрів, тому зараз він використовується більшістю тестових виробничих ліній. Однак, враховуючи, що збільшення площі модуля висуватиме підвищені вимоги до якості плівки,

Через складність контролю якості тонких плівок великої площі, чим більша площа перовскітного компонента, тим більше падіння ефективності. В даний час ККД невеликих модулів площею в десятки квадратних сантиметрів може досягати більше 20%, ККД модулів розміром в сотні квадратних сантиметрів може досягати 18%, тоді як ККД модулів розміром більше 0,1 квадратного метра становить лише близько 16%. Можна побачити, що ефективність великомасштабних перовскітових компонентів, придатних для великомасштабних застосувань, все ще потребує покращення.

Лінії з виробництва перовскітних компонентів, які були попередньо завершені та будуються, є тестовими лініями потужністю 100 мегават або менше, а плівка шару, що поглинає перовскіт, покривається мокрим методом. Виходячи з умов виробничої лінії, подібних до масового виробництва, очікується, що формула матеріалу, виробничий процес і дизайн компонентів продукту будуть швидко оптимізовані.

Основна відмінність між перовскітними/кристалічними кремнієвими компонентами та звичайними перовскітними компонентами полягає в тому, що перовскітова коміркова плівка наноситься не безпосередньо на все скло, а на кристалічну кремнієву комірку. З одного боку, менша площа плівки зменшує вимоги до розміру обладнання для осадження плівки, а з’єднання з виробничою лінією кристалічного кремнію також допомагає знизити витрати на виробництво; з іншого боку, перовскітні клітини потрібно з’єднати з кристалічними кремнієвими елементами, що відповідають зазору, конструкція батареї складніша. Наразі найвища ефективність 20 квадратних сантиметрів ламінованих модулів з перовскіту/кристалічного кремнію, виготовлених у лабораторії, становить 26,63%, але жодна пілотна лінія ламінованих перовскітових модулів не була завершена та запущена у виробництво.

Крім того, на основі легких, тонких і напівпрозорих характеристик перовскітових батарей деякі дослідницькі установи та виробники розробляють гнучкі та кольорові компоненти. Очікується, що ці спеціальні компоненти будуть застосовуватися в носимих пристроях, будівництві та інших сценаріях.

2. Проблеми, з якими стикається індустріалізація перовскітних фотоелектричних елементів

(1) Стабільність перовскітних батарей у довгостроковій експлуатації

Питання стабільності перовскітних сонячних елементів є основною проблемою для практичного застосування. Під впливом зовнішніх факторів, таких як водяна пара, висока температура та ультрафіолетове випромінювання, перовскітові батареї схильні до деградації, а їх продуктивність значно погіршується. Існує два основних заходи для підвищення стабільності перовскітових батарей. Один полягає в оптимізації компонентів і мікроструктури самої батареї, а інший полягає в оптимізації пакувальних матеріалів і процесів пакування перовскітових фотоелектричних модулів.

Деякі виробники оголосили, що виготовлені в пробному режимі модульні продукти пройшли тест на стабільність модулів, проведений відповідно до міжнародних стандартів, визнаних у фотоелектричній промисловості, таких як IEC 61215, і на основі цього припускають, що термін служби перовскітових модулів еквівалентний до модуля кристалічного кремнію, який може забезпечити термін служби 25 років. Через рік ефективність виробництва електроенергії залишається вище 80% від початкового значення. Однак, враховуючи, що перовскітні компоненти ще не були вироблені та застосовані масово, їх стабільність у фактичних робочих середовищах, таких як висока температура, висока вологість та високий вміст солі, ще належить перевірити.

(2) Проблеми ефективності та якості перовскітових компонентів великої площі

Ефективність і якість перовскітових компонентів великої площі низька, в основному через обмежене обладнання та рівень процесу осадження тонкої плівки великої площі. На відміну від режиму з’єднання кількох осередків малої площі послідовно та паралельно в модулі кристалічного кремнію, площа покриття перовскітного модуля досягає рівня квадратного метра. В даний час існує розрив між рівномірним і безперервним покриттям великої площі вітчизняного обладнання для вакуумного покриття та міжнародним передовим рівнем. Крім того, налагодження процесу на лінії виробництва покриттів великої площі також є відносно складним.

(3) Проблеми з короткою платою ключових компонентів фотоелектричного виробничого обладнання

Після багатьох років швидкого розвитку фотоелектрична промисловість моєї країни фактично здійснила локалізацію всієї виробничої лінії обладнання, але деякі ключові компоненти обладнання все ще залежать від імпорту. Наприклад, вакуумні насоси, радіочастотні джерела живлення, клапани тощо в обладнанні для вакуумного нанесення покриттів, лазери, вібраційні дзеркала тощо в обладнанні для лазерного травлення мають великий розрив з міжнародними основними виробниками щодо технічних показників і надійності якості. Незважаючи на те, що виробники фотоелектричних виробничих ліній у моїй країні раніше брали участь у розробці обладнання для виробництва перовскітних модулів і досягли попередніх результатів, так що невеликі випробування, пілотні випробування та лінії масового виробництва перовскітних модулів у моїй країні завжди підтримували високий рівень локалізація,

3. Пропозиції щодо сприяння індустріалізації перовскітних фотоелектричних елементів

(1) Ефективно відігравати керівну роль уряду

Перовскітні фотоелектричні технології, як нове покоління фотоелектричних технологій з найбільш багатообіцяючими широкомасштабними перспективами застосування, привернули увагу національної енергетики та технологічні органи влади, наукові кола, промисловість та різні інвестиційні організації. Однак існують концепції ажіотажу та сліпо слідування тенденціям на поточному ринку, що може мати негативний вплив на міцний прогрес індустріалізації перовскітної фотоелектричної технології.

З метою сприяння ефективній та впорядкованій індустріалізації перовскітної фотоелектричної технології слід повною мірою використовувати регуляторну та керівну роль національних енергетичних і науково-технічних органів для формулювання технічних індикаторів і впровадження політики стимулювання; створити координаційний механізм «уряд-промисловість-університет-дослідження-застосування» для заохочення різноманітних технічних маршрутів, різноманітних науково-дослідних та ринкових суб’єктів, які широко беруть участь у процесі індустріалізації перовскітної фотоелектричної технології; дотримуватись концепції відкритості та співпраці, керувати внутрішнім і міжнародним двостороннім потоком технологій, талантів, капіталу тощо, а також наполягати на «запрошенні» та «виході». Приділяти однакову увагу активному створенню комплексної та глибоко інтегрованої міжнародної галузевої екології; заохочувати державний капітал для підтримки індустріалізації перовскітної фотоелектричної технології в різних формах і спрямовувати здоровий розвиток галузі за допомогою ринкових засобів.

Органи місцевого самоврядування на всіх рівнях повинні щиро виконувати вимоги національної політики, такі як «14-й п’ятирічний план науково-технічних інновацій у сфері енергетики» та «План впровадження досягнення максимального викиду вуглецевої нейтральності в галузі науки і технологій (2022-2030)», щоб сформулювати і сприяння індустріалізації перовскітної фотоелектричної енергії Конкретні плани та політика стимулювання, дотримання принципів науки, прагматизму та строгості та сприяння здоровому розвитку перовскітних фотоелектричних ланок ланцюга промисловості, придатних для цього регіону.

(2) Міждисциплінарне співробітництво для формування спільних сил

Лабораторні дослідження та розробки перовскітної фотоелектричної технології в основному очолюються вченими в галузі матеріалознавства, хімії та фізики. Коли він вступає в стадію індустріалізації, він охоплює більше технічних галузей і більше ланок промислового ланцюга. Необхідна співпраця в багатьох професійних сферах. Зокрема, необхідно активно впроваджувати передові технології в різні професійні сфери для підвищення ефективності та ефекту індустріалізації перовскітної фотоелектричної енергетики. Наприклад, використання машинного навчання, великих даних та інших технологій, щоб певною мірою замінити всі ручні методи, проводити високопродуктивні експерименти, ефективно та точно перевіряти матеріали, рецептури та умови процесу виробництва перовскітних фотоелектричних модулів, і значно покращити матеріали виробничої лінії та виробничу потужність. Швидкість оптимізації процесу; користуючись передовими технологіями у сфері покриття панелей дисплеїв великої площі, обробки напівпровідників, обробки оптичних елементів та інших галузей і виробничого обладнання, щоб допомогти покращити якість покриття перовскітних фотоелектричних модулів.

(3) Прискорити демонстрацію та демонстраційне застосування перовскітних фотоелектричних продуктів

Потенційні ризики, такі як нестабільність і витік токсичного металу перовскітних фотоелектричних модулів, перешкоджатимуть їх широкомасштабному застосуванню. Тому необхідно якнайшвидше з’ясувати його фактичну продуктивність і безпеку за допомогою великої кількості емпіричних тестів і демонстраційних застосувань, щоб точно оцінити ризик його застосування та забезпечити наукову підтримку для його просування та застосування.

Плавний розвиток демонстраційних і демонстраційних застосувань перовскітних фотоелектричних продуктів вимагає співпраці користувальницьких одиниць і електромережевих підприємств з виробниками перовскітних фотоелектричних продуктів, виробниками обладнання для фотоелектричних систем, підрозділами тестування та сертифікації, підрозділами проектування та будівництва тощо, щоб відкрити все аспекти реалізації проекту, щоб створити відкрите та інклюзивне середовище застосування.

(4) Своєчасно створити стандартну систему для перовскітної фотоелектричної технології та активно прагнути освоїти право говорити в міжнародних стандартах

Для того, щоб гарантувати, що технологія виробництва та застосування перовскітних фотоелектричних продуктів є стандартизованою, систематичною, масштабованою та сумісною з існуючою системою технології фотоелектричного застосування, стандартна система повинна бути створена одночасно в процесі індустріалізації перовскітних фотоелектричних елементів. Побудова стандартної перовскітної фотоелектричної системи повинна базуватися на поточній стандартній системі фотоелектричних технологій, відповідати вимогам до застосування, повністю відображати характеристики виробництва та застосування перовскітних фотоелектричних продуктів, а також враховувати постійний розвиток і зміну перовскітних фотоелектричних технології. Згідно з фактичною ситуацією, слід враховувати як стандартизацію, так і гнучкість.

Створення нинішньої міжнародної системи фотоелектричних стандартів почалося в 1980-х роках. Фотоелектрична промисловість кристалічного кремнію моєї країни, як висхідна зірка, розвивалася в рамках існуючої системи міжнародних стандартів і зробила невеликий оригінальний внесок у формулювання міжнародних стандартів. Участь у міжнародних стандартних організаціях відносно низька, а право слова слабке. У сфері перовскітної фотоелектричної енергії рівень досліджень моєї країни можна порівняти зі світовим, а прогрес і масштаб індустріалізації мають невелику перевагу. Тому ми повинні скористатися нагодою, щоб активно підтримати перовскітне фотоелектричне поле моєї країни, особливо технічних експертів на передовій лінії індустріалізації.