21,7 persen! Metode baru membentuk kembali proses fabrikasi sel surya perovskite

Para peneliti menggunakan pencetakan pelapis, deposisi vakum, dan teknologi lainnya untuk mewujudkan persiapan modul fotovoltaik tandem all-perovskit luas untuk pertama kalinya di dunia, membuka cara baru produksi massal dan komersialisasi sel tandem perovskit area besar . jalur. Disertifikasi oleh organisasi pengujian pihak ketiga internasional yang berwenang, efisiensi konversi fotolistrik yang stabil dari modul ini mencapai 21,7 persen , yang merupakan efisiensi tertinggi di dunia dari modul fotovoltaik perovskit yang diketahui.

Sel surya dapat langsung mengubah energi matahari menjadi listrik, yang merupakan cara penting untuk mendapatkan energi bersih.

Biaya pembangkit listrik fotovoltaik tergantung pada efisiensi konversi fotolistrik sel surya. Penelitian telah menunjukkan bahwa untuk setiap peningkatan 1 persen dalam efisiensi konversi, biaya pembangkit listrik dapat dikurangi sebesar 7 persen , tetapi efisiensi konversi fotolistrik sel surya silikon kristal saat ini menghadapi hambatan pengembangan. Kunci akses Internet juga akan memberikan dukungan ilmiah dan teknologi penting untuk realisasi tujuan "karbon ganda".

Baru-baru ini, kelompok penelitian Profesor Tan Hairen dari Sekolah Teknik Modern dan Ilmu Terapan Universitas Nanjing dan para sarjana dari Universitas Oxford di Inggris menggunakan pencetakan pelapis, deposisi vakum, dan teknologi lainnya untuk mewujudkan persiapan semua area luas. -perovskite modul fotovoltaik bertumpuk untuk pertama kalinya di dunia. Jalur baru untuk produksi massal dan komersialisasi sel tandem perovskit area luas.

Disertifikasi oleh organisasi pengujian pihak ketiga internasional yang berwenang, efisiensi konversi fotolistrik yang stabil dari modul ini mencapai 21,7 persen , yang merupakan efisiensi tertinggi di dunia dari modul fotovoltaik perovskit yang diketahui. Pencapaian ini termasuk dalam edisi terbaru "Solar Battery World Records", dan hasil yang relevan baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal akademik otoritatif internasional "Science".

Biaya produksi lebih rendah dan lebih hemat energi

Pengembangan pembangkit listrik tenaga surya fotovoltaik yang bersih dan murah merupakan cara penting dan jaminan teknis untuk mencapai puncak karbon dan netralitas karbon. Pada kuartal pertama tahun 2022, pembangkit listrik fotovoltaik negara saya adalah 84,1 miliar kWh, meningkat dari tahun ke tahun sebesar 22,2 persen .

"Namun, dengan perkembangan teknologi, sel surya sambungan tunggal silikon kristal tradisional juga menghadapi dua hambatan pengembangan. Pertama, kapasitas produksi industri yang ada telah mendekati batas efisiensi konversi fotolistrik sel surya sambungan tunggal silikon kristal; kedua, biaya Energi tinggi dan konsumsi energi tinggi, proses pemurnian pasir kuarsa menjadi silikon industri dan membuat silikon monokristalin membutuhkan suhu tinggi lebih dari 1000 derajat, sedangkan persiapan sel surya perovskit membutuhkan sekitar 100 derajat. Sebagai penulis yang sesuai dari penelitian ini, Tan Hairen mengatakan dengan terus terang bahwa sel surya perovskit dengan biaya produksi yang lebih rendah dan lebih hemat energi dianggap sebagai peluang baru untuk pengembangan industri fotovoltaik dalam beberapa tahun terakhir, dan optimalisasi struktural dan inovasi teknologi tandem perovskit. sel akan mempercepat industri fotovoltaik untuk mencapai pengurangan biaya Sinergis.

Sebelumnya, kelompok riset Tan Hairen mengusulkan struktur terowongan baru, yang memecahkan masalah persiapan tumpukan semua-perovskit, mengembangkan metode baru untuk meningkatkan pasivasi cacat pada permukaan butiran perovskit, dan menciptakan konversi fotolistrik semua-perovskit. tumpukan Rekor dunia efisiensi 26,4 persen telah melampaui efisiensi bersertifikat tertinggi sel perovskite sambungan tunggal untuk pertama kalinya di dunia. Hasil yang relevan telah diterbitkan dalam jurnal akademik otoritatif internasional seperti Nature.

"Meskipun sel perovskit area kecil di laboratorium telah mencapai efisiensi konversi yang tinggi, komersialisasi blok sel fotovoltaik perovskit area besar masih menghadapi banyak tantangan." Tan Hairen tidak menyangkal bahwa meskipun penelitian sebelumnya telah menghasilkan 1 Baterai tandem perovskit berefisiensi tinggi sekitar sentimeter persegi, tetapi metode persiapan yang diproduksi secara massal dan stabilitas jangka panjang dari struktur interkoneksi di blok baterai adalah hambatan utama untuk mewujudkan industrialisasi.

Berbagai teknologi memungkinkan bahan untuk membentuk film yang seragam

Untuk mencapai produksi massal, pertama-tama perlu untuk memecahkan masalah persiapan luas dan seragam film perovskit celah pita lebar.

"Perovskit celah pita lebar mengandung komponen bromida tinggi, kelarutannya rendah, ruang pemilihan pelarut kecil, kontrol kristalisasi tidak mudah, dan sulit untuk mendapatkan film berkualitas tinggi, seragam dan padat. Penelitian internasional tentang produksi massalnya teknologi persiapan Hampir kosong." Tan Hairen menunjukkan.

Menanggapi tantangan di atas, tim peneliti mengusulkan skema persiapan baterai tandem semua perovskit yang diproduksi secara massal untuk pertama kalinya. Mereka menggunakan pencetakan pelapis, deposisi vakum, dan teknologi persiapan lainnya untuk menggantikan proses pembentukan film pelapis-putar yang biasa digunakan di laboratorium, dan menyiapkan baterai tandem semua perovskit berukuran 20 sentimeter persegi.

"Sebelumnya, kami menggunakan proses spin coating, yaitu, pertama menerapkan solusi perovskit pada substrat kaca, dan kemudian menggunakan mesin untuk dengan cepat mendorong seluruh substrat kaca untuk berputar, dan menggunakan gaya sentrifugal untuk mendistribusikan solusi pada substrat ke membentuk film tipis, tetapi metode ini akan Selain itu, mesin spin coating berputar sangat cepat, sehingga sulit untuk menggerakkan substrat kaca area besar untuk berputar, yang menentukan bahwa itu tidak cocok untuk produksi massal sel surya perovskit. " kata Tan Hairen.

Untuk memungkinkan larutan perovskit membentuk film seragam di area yang luas, tim peneliti pertama-tama menggunakan proses pelapisan pisau dokter. Tan Hairen menjelaskan bahwa mereka menjatuhkan larutan pada kaca konduktif transparan, dan kemudian menggoresnya ke depan dengan pisau, yang membentuk film basah yang seragam pada permukaan kaca. Dengan cara ini, mereka menyelesaikan lapisan transpor lubang, kalsium Menyikat lapisan titanium, dan kemudian menyiapkan lapisan transpor elektron dan struktur terowongan dengan deposisi vakum untuk melindungi lapisan pertama perovskit, kemudian melapisi lapisan transportasi lubang dan lapisan kedua perovskit. , dan vakum-mengevaporasi lapisan transpor elektron Setelah dan elektroda logam, bingkai blok sel surya perovskit adalah "keluar dari oven" seperti blok bangunan.

Membangun "rumah" tidak cukup, juga harus proporsional dan kuat. Tan Hairen mengatakan bahwa ketika blok baterai tandem perovskit awalnya disiapkan, filmnya masih tidak rata karena waktu kristalisasi larutan yang lama. "Kemudian, saya berpikir bahwa jika itu bisa seperti kertas cetak, tinta akan segera kering setelah dicetak, yang mungkin meningkatkan kualitas dan produktivitas film".

Bertujuan pada kesulitan mengontrol kristalisasi perovskit celah pita lebar dalam proses pelapisan, setelah beberapa upaya, tim meningkatkan kandungan cesium kation situs-A dalam komponen perovskit menjadi 35 persen , dan dikombinasikan dengan metode pelapisan bilah dari kristalisasi berbantuan udara untuk mempercepat larutan Setelah penguapan, film perovskit celah pita lebar yang rata dan padat dengan kristalinitas terbaik akhirnya diperoleh, yang meletakkan dasar untuk produksi massal semua komponen bertumpuk perovskit.

Mengapa cesium menjadi "Putra Surga" untuk membuat baterai terbentuk dengan cepat dan stabil? Tan Hairen memperkenalkan: "Cesium adalah ion anorganik dan tidak mudah menguap. Ini akan meningkatkan stabilitas termal perangkat, mengurangi regangan kisi, meningkatkan fotostabilitas perangkat, mengurangi penghalang kristalisasi, dan mempercepat laju nukleasi dari perangkat."

Hindari bahan yang berbeda "merugikan" satu sama lain

"Secara teoritis, efisiensi konversi fotolistrik dari sel surya perovskit lapisan tunggal saat ini hanya 33 persen tertinggi, sedangkan struktur lapisan ganda dapat mencapai hingga 45 persen. Semakin tinggi efisiensi pembangkit listrik, semakin rendah biayanya." Penelitian mendalam jangka panjang, Let Tan Hairen menemukan bahwa untuk mencapai lompatan dari "satu ke dua" dalam struktur internal sel perovskit, kita juga harus mempertimbangkan bagaimana "berdampingan secara harmonis" di antara bahan perangkat.

"Dalam modul fotovoltaik perovskit tandem, terdapat struktur interkoneksi yang kompleks di wilayah koneksi masing-masing dua sub-sel. Karena kontak langsung antara lapisan penyerap cahaya perovskit dan elektroda logam belakang di wilayah interkoneksi, ion halogen di perovskit akan Interdifusi dengan logam di elektroda akan menyebabkan bahan logam terkorosi dan sifat listrik dari bahan perovskit menurun, yang akan mempengaruhi efisiensi konversi fotolistrik blok baterai." Tan Hairen mengatakan, untuk mengatasi masalah ini, tim menggunakan lapisan penyerap cahaya perovskit dan logam belakang. Di antara elektroda, lapisan lapisan transpor elektron timah dioksida disiapkan oleh deposisi lapisan atom.

Timah dioksida merupakan bahan semikonduktor yang dapat tumbuh di lingkungan bersuhu rendah dan memiliki daya hantar listrik yang baik. Tidak mempengaruhi kontak ohmik antara elektroda logam di area interkoneksi dengan elektroda oksida konduktif transparan di permukaan depan. saat yang sama, lapisan transpor elektron timah dioksida Ini dapat disimpan secara selaras di daerah yang saling berhubungan antara sub-sel, menghalangi kontak langsung antara perovskit dan logam.Sebagai lapisan transpor elektron di wilayah aktif sel, itu juga mencegah oksidasi perovskit celah pita sempit melalui udara, mewujudkan persiapan interkoneksi, pengujian dan pengemasan komponen di bawah kondisi operasi." Tan Hairen menjelaskan.

Desain struktur modul inovatif ini secara signifikan meningkatkan pengulangan fabrikasi, kinerja fotovoltaik, dan stabilitas modul. Sebagaimana ditentukan oleh Laboratorium Teknologi Lingkungan dan Keselamatan Listrik Jepang, efisiensi konversi fotolistrik dari blok sel surya tandem semua-perovskit ini adalah 21,7 persen , yang merupakan efisiensi tertinggi di dunia yang dilaporkan untuk modul fotovoltaik perovskit. "Tabel rekor dunia baterai surya" disertakan.

Potensi yang ditunjukkan oleh modul fotovoltaik tandem perovskite area luas menginspirasi tim untuk memiliki semangat juang yang lebih besar. Tan Hairen mengatakan jika kita ingin memajukan industrialisasi teknologi ini, kita harus lebih banyak melakukan penelitian dan pengembangan dalam proses pencetakan dan penyiapan perovskite. Mempersiapkan tinta 20 sentimeter persegi relatif mudah, tetapi jika diperluas hingga 1 meter persegi, yang kondisi teknisnya perlu diinovasi, masih perlu verifikasi berkelanjutan.