Tình trạng phát triển và đề xuất của công nghệ quang điện Perovskite

Là một công nghệ quang điện thế hệ thứ ba mới nổi, pin mặt trời perovskite đã tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện từ 3,8% lên 25,7% chỉ sau hơn mười năm kể từ khi ra mắt vào năm 2009. Khi hiệu suất của pin mặt trời silicon tinh thể dần đạt đến giới hạn lý thuyết, mức độ cao -Các tế bào perovskite hiệu quả, chi phí thấp đã thu hút ngày càng nhiều sự chú ý từ ngành công nghiệp quang điện toàn cầu. Trong khi nghiên cứu học thuật tiếp tục được thực hiện chuyên sâu, công nghệ công nghiệp hóa quang điện perovskite cũng đã có những bước đột phá liên tục. Là quốc gia quang điện lớn nhất thế giới, đất nước tôi từ lâu đã duy trì vị trí hàng đầu trong lĩnh vực quang điện silic tinh thể; và trong lĩnh vực quang điện perovskite mới nổi, nó đang ở cùng vạch xuất phát với các quốc gia khác.

1. Tình hình phát triển của công nghệ quang điện Perovskite

Pin mặt trời perovskite sử dụng halogenua cấu trúc perovskite làm vật liệu lớp hấp thụ ánh sáng, có các đặc tính của khoảng cách dải có thể điều chỉnh, hệ số hấp thụ ánh sáng cao, hệ số nhiệt độ thấp, độ mỏng và tính linh hoạt, và hiện là loại ứng dụng quy mô lớn mới hứa hẹn nhất . Pin năng lượng mặt trời. Sau hơn mười năm nghiên cứu, các nguyên tắc cơ bản, công thức vật liệu và lộ trình tối ưu hóa hiệu suất của quang điện perovskite đã dần hình thành. Đồng thời, quy trình sản xuất hàng loạt các mô-đun và tế bào quang điện silicon kết tinh cũng như quá trình nội địa hóa hoàn toàn thiết bị dây chuyền sản xuất cung cấp tài liệu tham khảo hàng đầu cho quá trình công nghiệp hóa công nghệ quang điện perovskite. Trong những năm gần đây, các nhóm R&D từ các trường đại học, viện nghiên cứu khoa học và tế bào, các nhà sản xuất mô-đun và thiết bị trong lĩnh vực quang điện silicon tinh thể đã đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ quang điện perovskite. Tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong các mô-đun quang điện và thiết bị sản xuất mô-đun perovskite.

(1) Tình hình nghiên cứu pin mặt trời perovskite

Hiệu quả cao là ưu điểm hấp dẫn nhất của pin mặt trời perovskite. Hiệu suất giới hạn lý thuyết của tế bào perovskite là 33%, cao hơn nhiều so với 29,4% của tế bào silicon tinh thể. Bằng cách tối ưu hóa các thành phần, cấu trúc vi mô và quy trình chuẩn bị của pin, hiệu quả của pin perovskite được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm đã nhiều lần đạt mức cao mới. Vào tháng 7 năm 2022, pin perovskite do Viện Chất bán dẫn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển đã đạt được hiệu suất được chứng nhận là 25,6%, chỉ đứng sau kỷ lục hiệu suất cao nhất thế giới là 25,7% do Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) tạo ra. ) tại Hàn Quốc vào năm 2021.

Phạm vi phản ứng quang phổ của pin perovskite là 300-800 nanomet, tức là dải ánh sáng khả kiến, trong khi pin silicon tinh thể, pin đồng indium gallium selenide (CIGS), v.v. có thể hấp thụ và sử dụng ánh sáng hồng ngoại. Do đó, việc kết hợp các tế bào perovskite với silicon tinh thể, CIGS và các tế bào khác để tạo thành tế bào nhiều lớp có thể tận dụng tối đa ánh sáng trong mỗi dải và thu được hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn. Bản thân tế bào perovskite cũng có thể thay đổi phạm vi hấp thụ ánh sáng bằng cách điều chỉnh độ rộng vùng cấm. Việc kết hợp các ô perovskite băng thông rộng và băng thông hẹp thành các ô xếp chồng lên nhau, hiệu suất chuyển đổi quang điện có thể được cải thiện đáng kể. Vào tháng 6 năm 2022, Đại học Nam Kinh đã phát triển pin ngăn xếp perovskite/perovskite với hiệu suất 28,0%, lập kỷ lục thế giới mới.

Pin perovskite linh hoạt và pin perovskite trong nhà phù hợp cho các ứng dụng như tòa nhà, thiết bị di động và hàng tiêu dùng cũng là những điểm nóng nghiên cứu hiện nay. Hiệu suất cao nhất của pin perovskite linh hoạt do Đại học Thanh Hoa phát triển là 23,6%, lập kỷ lục thế giới mới; hiện tại hiệu quả cao nhất thế giới của pin perovskite trong nhà được duy trì bởi Đại học Sư phạm Thiểm Tây. Dưới ánh sáng trong nhà 824,5 lux, hiệu suất pin cao tới 40,1%.

nghiên cứu về pin mặt trời perovskite của đất nước tôi đang phát triển với tốc độ tương đương với thế giới và một số nhóm nghiên cứu đang ở cấp độ hàng đầu thế giới. Các kết quả hiệu quả của nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã cung cấp đầy đủ hướng dẫn lý thuyết cho quá trình công nghiệp hóa quang điện perovskite ở nước tôi. Các học viện và ngành công nghiệp đã tiến hành hợp tác sâu rộng để liên tục thúc đẩy việc chuyển đổi các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thành công nghệ sản xuất véc tơ.

(2) Tình hình phát triển của công nghệ mô-đun quang điện perovskite

Mô-đun quang điện perovskite là mô-đun màng mỏng, được tạo ra bằng cách đặt tuần tự các lớp màng mỏng khác nhau của tế bào perovskite trên kính và bao bọc chúng. Lớp vận chuyển lỗ trống, lớp vận chuyển điện tử, điện cực đối và các màng mỏng khác trong pin thường được điều chế bằng phương pháp lắng đọng chân không, trong khi quá trình chuẩn bị lớp hấp thụ perovskite được chia thành phương pháp ướt và phương pháp khô. Quy trình ướt điển hình, chẳng hạn như phương pháp phủ khe, có cấu trúc thiết bị tương đối đơn giản và dễ dàng mở rộng diện tích lớp phủ của màng pin từ mức milimet được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm lên hàng chục centimet, vì vậy nó hiện được sử dụng bởi hầu hết của dây chuyền sản xuất thử nghiệm. Tuy nhiên, xét rằng việc tăng diện tích mô-đun sẽ đặt ra yêu cầu cao hơn về chất lượng phim,

Do khó kiểm soát chất lượng của màng mỏng diện tích lớn, diện tích của thành phần perovskite càng lớn thì hiệu quả càng giảm. Hiện tại, hiệu suất của các mô-đun nhỏ hàng chục cm vuông có thể đạt hơn 20%, hiệu suất của các mô-đun hàng trăm cm vuông có thể đạt 18%, trong khi hiệu suất của các mô-đun lớn hơn 0,1 mét vuông chỉ khoảng 16%. Có thể thấy rằng hiệu quả của các thành phần perovskite quy mô lớn phù hợp với các ứng dụng quy mô lớn vẫn cần được cải thiện.

Các dây chuyền sản xuất linh kiện perovskite đã hoàn thành sơ bộ và đang được xây dựng đều là các dây chuyền thử nghiệm từ 100 megawatt trở xuống và lớp màng hấp thụ perovskite được phủ bằng phương pháp ướt. Dựa trên các điều kiện dây chuyền sản xuất tương tự như sản xuất hàng loạt, công thức vật liệu, quy trình sản xuất và thiết kế đặc điểm kỹ thuật sản phẩm của các thành phần dự kiến ​​sẽ nhanh chóng được tối ưu hóa.

Sự khác biệt chính giữa các thành phần perovskite/silicon tinh thể xếp chồng lên nhau và các thành phần perovskite thông thường là màng tế bào perovskite không được lắng đọng trực tiếp trên toàn bộ kính, mà trên tế bào silicon kết tinh. Một mặt, diện tích màng nhỏ hơn làm giảm yêu cầu về kích thước đối với thiết bị lắng đọng màng và việc ghép nối với dây chuyền sản xuất tế bào silicon kết tinh cũng giúp giảm chi phí sản xuất; mặt khác, các tế bào perovskite cần được liên kết với các tế bào silicon tinh thể để khớp khoảng cách, việc thiết kế pin khó khăn hơn. Hiện tại, hiệu suất cao nhất của mô-đun nhiều lớp perovskite/silicon tinh thể 20 cm vuông được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm là 26,63%, nhưng chưa có dây chuyền thí điểm nào của mô-đun nhiều lớp perovskite được hoàn thành và đưa vào sản xuất.

Ngoài ra, dựa trên các đặc tính nhẹ, mỏng và trong mờ của pin perovskite, một số tổ chức nghiên cứu và nhà sản xuất đang phát triển các thành phần linh hoạt và có màu. Những thành phần đặc biệt này dự kiến ​​sẽ được áp dụng trong các thiết bị đeo được, xây dựng và các tình huống khác.

2. Những thách thức mà quá trình công nghiệp hóa quang điện perovskite phải đối mặt

(1) Tính ổn định của pin perovskite khi sử dụng lâu dài

Vấn đề ổn định của pin mặt trời perovskite là thách thức chính đối với các ứng dụng thực tế. Dưới sự kích thích của các điều kiện bên ngoài như hơi nước, nhiệt độ cao và bức xạ cực tím, pin perovskite dễ bị xuống cấp và hiệu suất của chúng bị suy giảm nghiêm trọng. Có hai biện pháp chính để cải thiện tính ổn định của pin perovskite. Một là tối ưu hóa các thành phần và cấu trúc vi mô của chính pin, hai là tối ưu hóa vật liệu đóng gói và quy trình đóng gói của các mô-đun quang điện perovskite.

Một số nhà sản xuất đã thông báo rằng các sản phẩm mô-đun được sản xuất thử nghiệm đã vượt qua bài kiểm tra độ ổn định của mô-đun được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế được ngành quang điện công nhận như IEC 61215, và dựa trên điều này, người ta suy đoán rằng tuổi thọ của các mô-đun perovskite là tương đương so với các mô-đun silicon tinh thể, có thể đảm bảo tuổi thọ 25 năm. Sau một năm, hiệu suất phát điện duy trì trên 80% giá trị ban đầu. Tuy nhiên, xét rằng các thành phần perovskite vẫn chưa được sản xuất và ứng dụng hàng loạt, nên tính ổn định của chúng trong các môi trường sử dụng thực tế như nhiệt độ cao, độ ẩm cao và phun muối cao vẫn còn phải thử nghiệm.

(2) Các vấn đề về hiệu quả và chất lượng của các thành phần perovskite diện tích lớn

Hiệu quả và chất lượng của các thành phần perovskite diện tích lớn thấp, chủ yếu là do thiết bị hạn chế và mức độ quy trình lắng đọng màng mỏng diện tích lớn. Khác với chế độ kết nối nhiều ô diện tích nhỏ nối tiếp và song song trong mô-đun silicon tinh thể, diện tích lớp phủ của mô-đun perovskite đạt đến mức mét vuông. Hiện tại, có một khoảng cách giữa hiệu suất phủ liên tục và đồng đều trên diện rộng của thiết bị phủ chân không trong nước và trình độ tiên tiến quốc tế. Ngoài ra, quá trình gỡ lỗi trên dây chuyền sản xuất sơn phủ diện tích lớn cũng tương đối khó khăn.

(3) Các vấn đề ngắn mạch của các thành phần chính của thiết bị dây chuyền sản xuất quang điện

Sau nhiều năm phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp quang điện của nước tôi về cơ bản đã thực hiện nội địa hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất thiết bị, nhưng một số thành phần chính của thiết bị vẫn phải nhập khẩu. Ví dụ, máy bơm chân không, nguồn điện tần số vô tuyến, van, v.v. trong thiết bị sơn chân không, tia laze, gương rung, v.v. trong thiết bị khắc laser, có khoảng cách lớn so với các nhà sản xuất chính quốc tế về chỉ số kỹ thuật và độ tin cậy chất lượng. Mặc dù các nhà sản xuất thiết bị dây chuyền sản xuất quang điện của đất nước tôi đã tham gia vào việc phát triển thiết bị sản xuất mô-đun perovskite trước đó và đã đạt được kết quả sơ bộ, do đó các dây chuyền sản xuất mô-đun perovskite nhỏ, thử nghiệm thí điểm và sản xuất hàng loạt của đất nước tôi luôn duy trì mức độ cao nội địa hóa,

3. Các đề xuất thúc đẩy công nghiệp hóa quang điện perovskite

(1) Thực hiện hiệu quả vai trò chỉ đạo của chính phủ

Công nghệ quang điện perovskite, là một thế hệ công nghệ quang điện mới với triển vọng ứng dụng quy mô lớn hứa hẹn nhất, đã thu hút được sự chú ý của ngành năng lượng quốc gia và cơ quan công nghệ, học viện, ngành công nghiệp và các tổ chức đầu tư khác nhau. Tuy nhiên, có những khái niệm thổi phồng và chạy theo xu hướng một cách mù quáng trên thị trường hiện tại, điều này có thể tác động tiêu cực đến sự tiến bộ vững chắc của quá trình công nghiệp hóa công nghệ quang điện perovskite.

Để thúc đẩy công nghiệp hóa hiệu quả và có trật tự công nghệ quang điện perovskite, vai trò điều tiết và hướng dẫn của cơ quan năng lượng và khoa học và công nghệ quốc gia cần được tận dụng tối đa để xây dựng các chỉ số kỹ thuật và đưa ra các chính sách khuyến khích; thiết lập cơ chế phối hợp "chính phủ-công nghiệp-trường đại học-nghiên cứu-ứng dụng" để khuyến khích các tuyến kỹ thuật khác nhau, các thực thể R&D và thị trường khác nhau tham gia rộng rãi vào quá trình công nghiệp hóa công nghệ quang điện perovskite; tuân thủ khái niệm cởi mở và hợp tác, hướng dẫn dòng công nghệ, nhân tài, vốn, v.v. Cùng quan tâm tích cực tạo lập hệ sinh thái công nghiệp quốc tế toàn diện và hội nhập sâu rộng; khuyến khích vốn sở hữu nhà nước hỗ trợ công nghiệp hóa công nghệ quang điện perovskite dưới nhiều hình thức khác nhau và hướng dẫn sự phát triển lành mạnh của ngành thông qua các phương tiện thị trường.

Chính quyền địa phương các cấp cần nghiêm túc thực hiện các yêu cầu chính sách quốc gia như "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 về đổi mới khoa học và công nghệ trong lĩnh vực năng lượng" và "Kế hoạch thực hiện trung hòa carbon tối đa của khoa học và công nghệ (2022-2030)" để xây dựng và thúc đẩy công nghiệp hóa quang điện perovskite Các kế hoạch cụ thể và chính sách khuyến khích, tuân theo các nguyên tắc khoa học, thực dụng và nghiêm ngặt, đồng thời thúc đẩy sự phát triển lành mạnh của các liên kết chuỗi ngành quang điện perovskite phù hợp với khu vực này.

(2) Hợp tác đa ngành để tạo thành lực lượng chung

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và phát triển công nghệ quang điện perovskite chủ yếu được dẫn dắt bởi các học giả trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học và vật lý. Khi bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, nó liên quan đến nhiều lĩnh vực kỹ thuật hơn và nhiều mắt xích hơn trong dây chuyền công nghiệp. Hợp tác trong nhiều lĩnh vực chuyên môn là cần thiết. Đặc biệt, cần tích cực giới thiệu các công nghệ tiên tiến trong các lĩnh vực chuyên môn khác nhau để nâng cao hiệu quả và tác dụng của công nghiệp hóa quang điện perovskite. Ví dụ: sử dụng máy học, dữ liệu lớn và các công nghệ khác để thay thế tất cả các phương pháp thủ công ở một mức độ nhất định, thực hiện các thí nghiệm thông lượng cao, sàng lọc vật liệu, công thức và điều kiện quy trình sản xuất mô-đun quang điện perovskite một cách hiệu quả và chính xác, và cải thiện đáng kể các vật liệu dây chuyền sản xuất và năng lực sản xuất. Tốc độ tối ưu hóa quy trình; dựa trên công nghệ tiên tiến trong các lĩnh vực lớp phủ màn hình diện tích lớn, xử lý chất bán dẫn, xử lý phần tử quang và các lĩnh vực và thiết bị sản xuất khác, để giúp cải thiện chất lượng của lớp phủ mô-đun quang điện perovskite.

(3) Đẩy nhanh ứng dụng trình diễn và trình diễn các sản phẩm quang điện perovskite

Các rủi ro tiềm ẩn như tính không ổn định và rò rỉ kim loại độc hại của các mô-đun quang điện perovskite sẽ cản trở ứng dụng quy mô lớn của nó. Do đó, cần phải tìm hiểu hiệu suất và độ an toàn của dịch vụ thực tế của nó thông qua một số lượng lớn các thử nghiệm thực nghiệm và ứng dụng trình diễn càng sớm càng tốt, để đánh giá chính xác rủi ro ứng dụng của nó và cung cấp hỗ trợ khoa học cho việc quảng bá và ứng dụng của nó.

Sự phát triển suôn sẻ của các ứng dụng trình diễn và trình diễn sản phẩm quang điện perovskite cần có sự hợp tác của các đơn vị sử dụng và doanh nghiệp lưới điện với các nhà sản xuất sản phẩm quang điện perovskite, nhà sản xuất thiết bị hệ thống quang điện, đơn vị thử nghiệm và chứng nhận, đơn vị thiết kế và thi công, v.v., để mở ra tất cả các khía cạnh của việc thực hiện dự án, để tạo ra một môi trường ứng dụng mở và toàn diện.

(4) Kịp thời xây dựng hệ thống tiêu chuẩn cho công nghệ quang điện perovskite, tích cực phấn đấu làm chủ quyền phát ngôn theo tiêu chuẩn quốc tế

Để đảm bảo rằng công nghệ sản xuất và ứng dụng các sản phẩm quang điện perovskite được tiêu chuẩn hóa, có hệ thống, có thể mở rộng và tương thích với hệ thống công nghệ ứng dụng quang điện hiện có, một hệ thống tiêu chuẩn cần được thiết lập đồng thời trong quá trình công nghiệp hóa quang điện perovskite. Việc xây dựng hệ thống tiêu chuẩn quang điện perovskite phải dựa trên hệ thống tiêu chuẩn công nghệ quang điện hiện tại, đáp ứng các yêu cầu ứng dụng, phản ánh đầy đủ các đặc điểm của việc sản xuất và ứng dụng các sản phẩm quang điện perovskite, đồng thời tính đến sự phát triển và thay đổi liên tục của quang điện perovskite công nghệ. Theo tình hình thực tế, cần xem xét cả tiêu chuẩn hóa và tính linh hoạt.

Việc thành lập hệ thống tiêu chuẩn quốc tế về quang điện hiện nay bắt nguồn từ những năm 1980. Ngành công nghiệp quang điện silicon tinh thể của đất nước tôi, với tư cách là một ngôi sao đang lên, được phát triển trong khuôn khổ của hệ thống tiêu chuẩn quốc tế hiện có và có rất ít đóng góp ban đầu trong việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế. Việc tham gia vào các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế tương đối thấp và quyền phát biểu còn yếu. Trong lĩnh vực quang điện perovskite, trình độ nghiên cứu của đất nước tôi tương đương với thế giới, tiến độ và quy mô công nghiệp hóa có một chút lợi thế. Vì vậy, chúng ta nên nắm bắt cơ hội để hỗ trợ tích cực cho lĩnh vực quang điện perovskite của đất nước tôi, đặc biệt là các chuyên gia kỹ thuật ở tuyến đầu của công nghiệp hóa.