21,7%! Новый метод меняет процесс изготовления перовскитных солнечных элементов

Исследователи использовали печать покрытия, вакуумное напыление и другие технологии, чтобы впервые в мире реализовать подготовку полностью перовскитных тандемных фотоэлектрических модулей большой площади, открыв новый способ массового производства и коммерциализации перовскитных тандемных элементов большой площади. . дорожка. Сертифицированный международной авторитетной сторонней испытательной организацией, стабильная эффективность фотоэлектрического преобразования этого модуля достигает 21,7%, что является самым высоким в мире КПД известных перовскитных фотоэлектрических модулей.

Солнечные батареи могут напрямую преобразовывать солнечную энергию в электричество, что является важным способом получения чистой энергии.

Стоимость производства фотоэлектрической энергии зависит от эффективности фотоэлектрического преобразования солнечных элементов. Исследования показали, что на каждый 1 процент повышения эффективности преобразования стоимость производства электроэнергии может быть снижена на 7 процентов, но эффективность фотоэлектрического преобразования кристаллических кремниевых солнечных элементов в настоящее время сталкивается с узкими местами разработки. Ключ к доступу в Интернет также обеспечит важную научную и техническую поддержку для реализации цели «двойного углерода».

Недавно исследовательская группа профессора Тана Хайрена из Школы современной инженерии и прикладных наук Нанкинского университета и ученых из Оксфордского университета в Соединенном Королевстве использовала печать с покрытием, вакуумное напыление и другие технологии для реализации подготовки крупногабаритных изделий из любых материалов. -перовскитовые фотоэлектрические модули впервые в мире. Новый путь для массового производства и коммерциализации перовскитовых тандемных ячеек большой площади.

Сертифицированный международной авторитетной сторонней испытательной организацией, стабильная эффективность фотоэлектрического преобразования этого модуля достигает 21,7%, что является самым высоким в мире КПД известных перовскитных фотоэлектрических модулей. Это достижение было включено в последний выпуск «Solar Battery World Records», а соответствующие результаты недавно были опубликованы в международном авторитетном академическом журнале «Science».

Низкие производственные затраты и больше энергосбережения

Разработка чистой и недорогой солнечной фотоэлектрической энергии является важным способом и технической гарантией достижения углеродного пика и углеродной нейтральности. В первом квартале 2022 года производство фотоэлектрической энергии в моей стране составило 84,1 миллиарда кВтч, что на 22,2 процента больше, чем в прошлом году.

«Однако с развитием технологий традиционные однопереходные солнечные элементы из кристаллического кремния также столкнулись с двумя узкими местами в развитии. Во-первых, существующие промышленные производственные мощности приблизились к пределу эффективности фотоэлектрического преобразования однопереходных солнечных элементов из кристаллического кремния; во-вторых, Стоимость Высокая энергия и высокое энергопотребление, процесс переработки кварцевого песка в промышленный кремний и получения монокристаллического кремния требует высокой температуры более 1000 градусов, в то время как для подготовки перовскитных солнечных элементов требуется около 100 градусов. Как корреспондент этого исследования, Тан Хайрен откровенно сказал, что перовскитные солнечные элементы с более низкими производственными затратами и большей энергосбережением рассматриваются как новые возможности для развития фотоэлектрической промышленности в последние годы, а структурная оптимизация и технологические инновации перовскитного тандема клетки ускорит фотоэлектрической промышленности для достижения синергетического снижения затрат.

Ранее исследовательская группа Тана Хайрена предложила новую туннельную структуру, которая позволила решить проблему подготовки полностью перовскитных пакетов, разработала новый метод усиления пассивации дефектов на поверхности перовскитных зерен и создала фотоэлектрическое преобразование цельноперовскитных зерен. стеки. Мировой рекорд эффективности в 26,4% впервые в мире превзошел самый высокий сертифицированный КПД однопереходных перовскитовых элементов. Соответствующие результаты были опубликованы в авторитетных международных академических журналах, таких как Nature.

«Хотя перовскитовые элементы малой площади в лаборатории достигли высокой эффективности преобразования, коммерциализация блоков перовскитных фотоэлектрических элементов большой площади по-прежнему сталкивается со многими проблемами». Тан Хайрен не отрицал, что, хотя в ходе предыдущих исследований было получено 1 высокоэффективная перовскитная тандемная батарея размером около квадратных сантиметров, массовый метод подготовки и долговременная стабильность структуры межсоединений в аккумуляторном блоке являются ключевыми узкими местами для осуществить индустриализацию.

Несколько технологий позволяют материалу образовывать однородную пленку

Для организации массового производства в первую очередь необходимо решить проблему крупнозонного и равномерного приготовления широкозонных перовскитных пленок.

«Широзонный перовскит содержит компоненты с высоким содержанием бромида, его растворимость низкая, область выбора растворителя невелика, контроль кристаллизации затруднен, и трудно получить высококачественные, однородные и плотные пленки. Международные исследования по его массовому производству технология приготовления Почти пустой." — заметил Тан Хайрен.

В ответ на вышеуказанные проблемы исследовательская группа впервые предложила серийную схему подготовки полностью перовскитной тандемной батареи. Они использовали печать покрытия, вакуумное напыление и другие технологии подготовки, чтобы заменить процесс формирования пленки центрифугированием, обычно используемый в лаборатории, и подготовили полностью перовскитовую тандемную батарею площадью 20 квадратных сантиметров.

«Ранее мы использовали процесс центрифугирования, то есть сначала наносили раствор перовскита на стеклянную подложку, а затем с помощью машины быстро приводили во вращение всю стеклянную подложку и использовали центробежную силу для распределения раствора на подложке для образуют тонкую пленку, но этот метод будет. Кроме того, машина для центрифугирования вращается очень быстро, поэтому трудно заставить вращаться стеклянную подложку большой площади, что определяет ее непригодность для массового производства перовскитных солнечных элементов. " — сказал Тан Хайрен.

Чтобы раствор перовскита образовывал однородную пленку на большой площади, исследовательская группа сначала применила процесс нанесения покрытия ракелем. Тан Хайрен объяснил, что раствор капали на прозрачное токопроводящее стекло, а затем соскабливали его лезвием, в результате чего на поверхности стекла образовывалась равномерная влажная пленка. Таким образом, они завершили транспортный слой дырок, кальциевую щетку на титановом слое, а затем подготовили слой переноса электронов и туннельную структуру путем вакуумного осаждения для защиты первого слоя перовскита, затем покрыли транспортный слой дырок и второй слой перовскита. , и вакуумное испарение слоя переноса электронов.

Мало построить «дом», он еще должен быть стройным и крепким. Тан Хайрен сказал, что, когда перовскитовый тандемный аккумуляторный блок был первоначально подготовлен, пленка все еще была неровной из-за длительного времени кристаллизации раствора. «Позже я подумал, что если бы это было похоже на бумагу для печати, то чернила высыхали бы сразу после печати, что могло бы улучшить качество пленки и производительность».

Стремясь решить проблему контроля кристаллизации широкозонного перовскита в процессе нанесения покрытия, после нескольких попыток группа увеличила содержание цезия в катионе A-позиции в перовскитном компоненте до 35 процентов и объединила его с методом лезвийного покрытия. кристаллизация с помощью воздуха для ускорения растворения. После испарения в конечном итоге была получена плоская и плотная широкозонная пленка перовскита с наилучшей кристалличностью, что заложило основу для массового производства составных компонентов, полностью состоящих из перовскита.

Почему цезий становится «Сыном Неба», чтобы батареи быстро и стабильно формировались? Тан Хайрен представил: «Цезий является неорганическим ионом и не является легколетучим. Он улучшит термическую стабильность устройства, уменьшит деформацию решетки, улучшит фотостабильность устройства, уменьшит кристаллизационный барьер и ускорит скорость зародышеобразования. устройство."

Избегайте того, чтобы разные материалы «вредили» друг другу

«Теоретически эффективность фотоэлектрического преобразования современного однослойного перовскитного солнечного элемента составляет максимум 33 процента, в то время как двухслойная структура может достигать 45 процентов. Чем выше эффективность выработки энергии, тем ниже стоимость». Долгосрочные углубленные исследования позволили Тан Хайрену обнаружить, что для достижения скачка от «одного к двум» во внутренней структуре перовскитовых клеток мы также должны подумать о том, как «гармонично сосуществовать» между материалами устройства.

«В тандемном перовскитном фотоэлектрическом модуле имеется сложная структура взаимосвязи в области соединения каждых двух субэлементов. Из-за прямого контакта между перовскитовым светопоглощающим слоем и задним металлическим электродом в области соединения ионы галогенов Взаимная диффузия в перовските с металлом в электроде вызовет коррозию металлического материала и ухудшение электрических свойств материала перовскита, что повлияет на эффективность фотоэлектрического преобразования блока батареи». Тан Хайрен сказал, что для решения этой проблемы команда использовала светопоглощающий слой из перовскита и металлическую подложку. Между электродами методом атомно-слоевого осаждения был приготовлен слой электрон-транспортного слоя диоксида олова.

«Диоксид олова — это полупроводниковый материал, который можно выращивать в условиях низких температур и который обладает хорошей электропроводностью. Он не влияет на омический контакт между металлическим электродом в области межсоединений и прозрачным проводящим оксидным электродом на передней поверхности. В то же время слой переноса электронов диоксида олова может конформно осаждаться во взаимосвязанных областях между субэлементами, блокируя прямой контакт между перовскитом и металлом.Как слой переноса электронов в активной области клетки, он также предотвращает окисление узкозонного перовскита по воздуху, осуществляя атмосферную подготовку соединения, испытание и упаковку компонентов в условиях эксплуатации." Тан Хайрен объяснил.

Этот инновационный дизайн структуры модуля значительно улучшает воспроизводимость изготовления, фотогальванические характеристики и стабильность модуля. По данным Японской лаборатории электробезопасности и экологических технологий, эффективность фотоэлектрического преобразования этого тандемного блока солнечных элементов, полностью состоящего из перовскита, составляет 21,7%, что является самым высоким в мире показателем эффективности для перовскитных фотоэлектрических модулей. "Таблица мировых рекордов солнечной батареи" включена.

Потенциал, продемонстрированный тандемными фотоэлектрическими модулями из перовскита большой площади, вдохновил команду на боевой дух. Тан Хайрен сказал, что если мы хотим способствовать индустриализации этой технологии, мы должны проводить больше исследований и разработок в процессе печати и подготовки перовскита. Приготовить 20 квадратных сантиметров чернил относительно просто, но если его расширить до 1 квадратного метра, технические условия которого нуждаются в обновлении, все равно требуется постоянная проверка.