21,7 per cento! Un nuovo metodo rimodella il processo di fabbricazione delle celle solari di perovskite

I ricercatori hanno utilizzato la stampa del rivestimento, la deposizione sotto vuoto e altre tecnologie per realizzare per la prima volta al mondo la preparazione di moduli fotovoltaici tandem interamente in perovskite di ampia area, aprendo un nuovo modo di produzione di massa e commercializzazione di celle tandem di perovskite di ampia area . sentiero. Certificata da un'organizzazione di test di terze parti autorevole internazionale, l'efficienza di conversione fotoelettrica stabile di questo modulo raggiunge il 21,7%, che è l'efficienza più alta al mondo dei moduli fotovoltaici in perovskite conosciuti.

Le celle solari possono convertire direttamente l'energia solare in elettricità, che è un modo importante per ottenere energia pulita.

Il costo della produzione di energia fotovoltaica dipende dall'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari. Gli studi hanno dimostrato che per ogni aumento dell'1% dell'efficienza di conversione, il costo della generazione di energia può essere ridotto del 7%, ma l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari in silicio cristallino incontra attualmente colli di bottiglia nello sviluppo. La chiave di accesso a Internet fornirà anche un importante supporto scientifico e tecnologico per la realizzazione dell'obiettivo del "dual carbon".

Di recente, il gruppo di ricerca del professor Tan Hairen della School of Modern Engineering and Applied Sciences dell'Università di Nanchino e studiosi dell'Università di Oxford nel Regno Unito hanno utilizzato la stampa patinata, la deposizione sottovuoto e altre tecnologie per realizzare la preparazione di tutte le -moduli fotovoltaici impilati in perovskite per la prima volta al mondo. Un nuovo percorso per la produzione di massa e la commercializzazione di celle tandem di perovskite di grandi dimensioni.

Certificata da un'organizzazione di test di terze parti autorevole internazionale, l'efficienza di conversione fotoelettrica stabile di questo modulo raggiunge il 21,7%, che è l'efficienza più alta al mondo dei moduli fotovoltaici in perovskite conosciuti. Questo risultato è stato incluso nell'ultimo numero di "Solar Battery World Records", ei risultati rilevanti sono stati recentemente pubblicati sull'autorevole rivista accademica internazionale "Science".

Minori costi di produzione e maggiore risparmio energetico

Lo sviluppo di una generazione di energia solare fotovoltaica pulita ea basso costo è un modo importante e una garanzia tecnica per raggiungere il picco di carbonio e la neutralità del carbonio. Nel primo trimestre del 2022, la produzione di energia fotovoltaica del mio paese è stata di 84,1 miliardi di kWh, con un aumento del 22,2% su base annua.

"Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia, anche le tradizionali celle solari in silicio cristallino a giunzione singola hanno incontrato due colli di bottiglia nello sviluppo. In primo luogo, la capacità di produzione industriale esistente si è avvicinata al limite dell'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari in silicio cristallino a giunzione singola; in secondo luogo, il costo Elevata energia e alto consumo energetico, il processo di raffinazione della sabbia di quarzo in silicio industriale e produzione di silicio monocristallino richiede una temperatura elevata di oltre 1000 gradi, mentre la preparazione delle celle solari di perovskite richiede circa 100 gradi. In qualità di corrispondente autore di questo studio, Tan Hairen ha affermato francamente che le celle solari in perovskite con costi di produzione inferiori e un maggiore risparmio energetico sono considerate nuove opportunità per lo sviluppo dell'industria fotovoltaica negli ultimi anni e l'ottimizzazione strutturale e l'innovazione tecnologica della perovskite tandem le celle accelereranno l'industria fotovoltaica per ottenere una riduzione dei costi sinergica.

In precedenza, il gruppo di ricerca di Tan Hairen ha proposto una nuova struttura di tunneling, che ha risolto il problema della preparazione dei cumuli di tutta perovskite, ha sviluppato un nuovo metodo per migliorare la passivazione dei difetti sulla superficie dei grani di perovskite e ha creato la conversione fotoelettrica di tutta la perovskite pile. L'efficienza record mondiale del 26,4% ha superato per la prima volta al mondo la più alta efficienza certificata delle celle di perovskite a giunzione singola. I risultati rilevanti sono stati pubblicati su autorevoli riviste accademiche internazionali come Nature.

"Sebbene le celle di perovskite di piccola area in laboratorio abbiano raggiunto un'elevata efficienza di conversione, la commercializzazione di blocchi di celle fotovoltaiche di perovskite di grande area deve ancora affrontare molte sfide". Tan Hairen non ha negato che, sebbene ricerche precedenti abbiano prodotto 1 La batteria tandem perovskite ad alta efficienza è di circa centimetri quadrati, ma il metodo di preparazione prodotto in serie e la stabilità a lungo termine della struttura di interconnessione nel blocco batteria sono i principali colli di bottiglia da realizzare l'industrializzazione.

Molteplici tecnologie consentono al materiale di formare un film uniforme

Per ottenere una produzione di massa, è innanzitutto necessario risolvere il problema della preparazione uniforme e su vasta area di film di perovskite a banda larga.

"La perovskite a banda larga contiene componenti ad alto bromuro, la sua solubilità è bassa, lo spazio di selezione del solvente è piccolo, il controllo della cristallizzazione non è facile ed è difficile ottenere film di alta qualità, uniformi e densi. Ricerca internazionale sulla sua produzione in serie tecnologia di preparazione Quasi vuota." Tan Hairen ha sottolineato.

In risposta alle sfide di cui sopra, il team di ricerca ha proposto per la prima volta uno schema di preparazione della batteria tandem interamente perovskite prodotto in serie. Hanno utilizzato la stampa del rivestimento, la deposizione sotto vuoto e altre tecnologie di preparazione per sostituire il processo di formazione del film di rivestimento a rotazione comunemente utilizzato in laboratorio e hanno preparato una batteria tandem tutta perovskite da 20 centimetri quadrati.

"In precedenza, abbiamo utilizzato un processo di rivestimento a rotazione, ovvero applicare prima la soluzione di perovskite sul substrato di vetro, quindi utilizzare la macchina per far ruotare rapidamente l'intero substrato di vetro e utilizzare la forza centrifuga per distribuire la soluzione sul substrato per formare una pellicola sottile, ma questo metodo inoltre, la macchina di rivestimento rotante ruota molto velocemente, quindi è difficile far ruotare un substrato di vetro di ampia area, il che determina che non è adatto per la produzione in serie di celle solari di perovskite. " disse Tan Hairen.

Per consentire alla soluzione di perovskite di formare una pellicola uniforme su una vasta area, il team di ricerca ha prima utilizzato un processo di rivestimento con lama a racla. Tan Hairen ha spiegato di aver fatto cadere la soluzione sul vetro conduttivo trasparente, quindi l'hanno raschiata in avanti con una lama, che ha formato una pellicola bagnata uniforme sulla superficie del vetro. In questo modo, hanno completato lo strato di trasporto del foro, spazzolando con il calcio lo strato di titanio e quindi preparando lo strato di trasporto degli elettroni e la struttura di tunneling mediante deposizione sotto vuoto per proteggere il primo strato di perovskite, quindi rivestendo lo strato di trasporto del foro e il secondo strato di perovskite , e l'evaporazione sotto vuoto dello strato di trasporto degli elettroni Dopo e gli elettrodi metallici, un telaio a blocchi di celle solari in perovskite è "fuori dal forno" come blocchi di costruzione.

Non basta costruire una "casa", deve anche essere ben proporzionata e robusta. Tan Hairen ha affermato che quando è stato inizialmente preparato il blocco batteria tandem perovskite, il film era ancora irregolare a causa del lungo tempo di cristallizzazione della soluzione. "In seguito, ho pensato che se fosse stato come la carta da stampa, l'inchiostro si sarebbe asciugato subito dopo la stampa, il che avrebbe potuto migliorare la qualità e la produttività della pellicola".

Mirando alla difficoltà di controllare la cristallizzazione della perovskite a banda larga nel processo di rivestimento, dopo diversi tentativi, il team ha aumentato il contenuto di cesio del catione del sito A nella componente perovskite al 35% e combinato con il metodo di rivestimento della lama di cristallizzazione assistita dall'aria per accelerare la soluzione Dopo la volatilizzazione, è stato finalmente ottenuto un film di perovskite piatto e denso a banda larga con la migliore cristallinità, che ha gettato le basi per la produzione in serie di componenti impilati interamente in perovskite.

Perché il cesio diventa il "Figlio del cielo" per creare batterie rapidamente e stabilmente formate? Tan Hairen ha introdotto: "Il cesio è uno ione inorganico e non è facilmente volatile. Migliorerà la stabilità termica del dispositivo, ridurrà la deformazione del reticolo, migliorerà la fotostabilità del dispositivo, ridurrà la barriera di cristallizzazione e accelererà il tasso di nucleazione del dispositivo."

Evita che materiali diversi si "dannino" a vicenda

"Teoricamente, l'efficienza di conversione fotoelettrica dell'attuale cella solare in perovskite a strato singolo è solo del 33 percento al massimo, mentre la struttura a doppio strato può raggiungere fino al 45 percento. Maggiore è l'efficienza di generazione di energia, minore è il costo". Ricerca approfondita a lungo termine, lascia che Tan Hairen scopra che per ottenere il salto da "uno a due" nella struttura interna delle cellule di perovskite, dobbiamo anche considerare come "coesistere armoniosamente" tra i materiali del dispositivo.

"In un modulo fotovoltaico tandem di perovskite, esiste una complessa struttura di interconnessione nella regione di connessione di ciascuna due sottocelle. A causa del contatto diretto tra lo strato di perovskite che assorbe la luce e l'elettrodo metallico posteriore nella regione di interconnessione, gli ioni alogeni nella perovskite l'interdiffusione con il metallo nell'elettrodo causerà la corrosione del materiale metallico e il declino delle proprietà elettriche del materiale perovskite, il che influenzerà l'efficienza di conversione fotoelettrica del blocco batteria". Tan Hairen ha affermato che, per superare questo problema, il team ha utilizzato lo strato di perovskite che assorbe la luce e il metallo posteriore. Tra gli elettrodi, è stato preparato uno strato di strato di trasporto di elettroni di biossido di stagno mediante deposizione di uno strato atomico.

"Il biossido di stagno è un materiale semiconduttore che può essere coltivato in un ambiente a bassa temperatura e ha una buona conduttività elettrica. Non influisce sul contatto ohmico tra l'elettrodo metallico nell'area di interconnessione e l'elettrodo di ossido conduttivo trasparente sulla superficie anteriore. allo stesso tempo, lo strato di trasporto di elettroni di biossido di stagno Può essere depositato in modo conforme nelle regioni interconnesse tra le sottocelle, bloccando il contatto diretto tra perovskite e metallo.Come strato di trasporto di elettroni nella regione attiva della cellula, previene anche l'ossidazione di perovskite a banda stretta per via aerea, realizzando atmosferica La preparazione dell'interconnessione, il collaudo e l'imballaggio dei componenti nelle condizioni operative." Ha spiegato Tan Hairen.

Questo design innovativo della struttura del modulo migliora notevolmente la ripetibilità di fabbricazione, le prestazioni fotovoltaiche e la stabilità del modulo. Come stabilito dal Japan Electrical Safety and Environmental Technology Laboratory, l'efficienza di conversione fotoelettrica di questo blocco di celle solari tandem interamente in perovskite è del 21,7%, che è l'efficienza più alta al mondo registrata per i moduli fotovoltaici in perovskite. "Tabella dei record mondiali della batteria solare" inclusa.

Il potenziale dimostrato dai moduli fotovoltaici tandem in perovskite di grandi dimensioni ha ispirato il team ad avere un maggiore spirito combattivo. Tan Hairen ha affermato che se vogliamo promuovere l'industrializzazione di questa tecnologia, dobbiamo fare più ricerca e sviluppo nel processo di stampa e preparazione della perovskite. È relativamente semplice preparare 20 centimetri quadrati di inchiostro, ma se viene ampliato a 1 metro quadrato, le cui condizioni tecniche devono essere innovate, necessita comunque di continue verifiche.