Dalam industri fotovoltaik, perovskit sangat diminati dalam beberapa tahun terakhir. Alasan mengapa ia muncul sebagai “favorit” di bidang sel surya adalah karena kondisinya yang unik. Bijih kalsium titanium memiliki banyak sifat fotovoltaik yang sangat baik, proses persiapan yang sederhana, dan bahan baku yang beragam serta kandungan yang melimpah. Selain itu, perovskit juga dapat digunakan di pembangkit listrik darat, penerbangan, konstruksi, perangkat pembangkit listrik yang dapat dipakai, dan banyak bidang lainnya.
Pada tanggal 21 Maret, Ningde Times mengajukan paten “sel surya kalsium titanit dan metode persiapan serta perangkat listriknya”. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan dukungan kebijakan dan tindakan dalam negeri, industri bijih kalsium-titanium, yang diwakili oleh sel surya bijih kalsium-titanium, telah mencapai kemajuan besar. Jadi apa itu perovskit? Bagaimana industrialisasi perovskit? Tantangan apa yang masih dihadapi? Reporter Harian Sains dan Teknologi mewawancarai para ahli terkait.
Perovskit bukanlah kalsium atau titanium.
Yang disebut perovskit bukanlah kalsium atau titanium, melainkan istilah umum untuk kelas “oksida keramik” dengan struktur kristal yang sama, dengan rumus molekul ABX3. A adalah singkatan dari “kation radius besar”, B untuk “kation logam” dan X untuk “anion halogen”. A berarti “kation radius besar”, B berarti “kation logam”, dan X berarti “anion halogen”. Ketiga ion ini dapat menunjukkan banyak sifat fisik yang menakjubkan melalui susunan unsur-unsur yang berbeda atau dengan menyesuaikan jarak di antara mereka, termasuk namun tidak terbatas pada isolasi, feroelektrik, antiferromagnetisme, efek magnet raksasa, dll.
“Menurut komposisi unsur bahannya, perovskit secara kasar dapat dibagi menjadi tiga kategori: perovskit oksida logam kompleks, perovskit hibrida organik, dan perovskit halogen anorganik.” Luo Jingshan, seorang profesor di Fakultas Informasi Elektronik dan Teknik Optik Universitas Nankai, memperkenalkan bahwa kalsium titanit yang sekarang digunakan dalam fotovoltaik biasanya adalah dua yang terakhir.
perovskit dapat digunakan di banyak bidang seperti pembangkit listrik terestrial, ruang angkasa, konstruksi, dan perangkat pembangkit listrik yang dapat dipakai. Diantaranya, bidang fotovoltaik merupakan area aplikasi utama perovskit. Struktur kalsium titanit sangat mudah dirancang dan memiliki kinerja fotovoltaik yang sangat baik, yang merupakan arah penelitian populer di bidang fotovoltaik dalam beberapa tahun terakhir.
Industrialisasi perovskit semakin cepat, dan perusahaan dalam negeri bersaing untuk mendapatkan tata letaknya. Dilaporkan bahwa 5.000 keping modul bijih kalsium titanium pertama dikirim dari Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. juga mempercepat pembangunan jalur percontohan laminasi bijih kalsium titanium penuh berkapasitas 150 MW terbesar di dunia; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. Lini produksi modul fotovoltaik bijih kalsium-titanium 150 MW telah selesai dan dioperasikan pada Desember 2022, dan nilai output tahunan dapat mencapai 300 juta yuan setelah mencapai produksi.
Bijih kalsium titanium memiliki keunggulan yang jelas dalam industri fotovoltaik
Dalam industri fotovoltaik, perovskit sangat diminati dalam beberapa tahun terakhir. Alasan mengapa ia muncul sebagai “favorit” di bidang sel surya adalah karena kondisinya yang unik.
“Pertama, perovskit memiliki banyak sifat optoelektronik yang sangat baik, seperti celah pita yang dapat disesuaikan, koefisien penyerapan yang tinggi, energi pengikatan eksiton yang rendah, mobilitas pembawa yang tinggi, toleransi cacat yang tinggi, dll.; kedua, proses pembuatan perovskit sederhana dan dapat mencapai sifat tembus cahaya, sangat ringan, sangat tipis, fleksibel, dll. Terakhir, bahan baku perovskit tersedia secara luas dan berlimpah.” Luo Jingshan memperkenalkan. Dan pembuatan perovskit juga membutuhkan kemurnian bahan baku yang relatif rendah.
Saat ini, bidang PV menggunakan sejumlah besar sel surya berbasis silikon, yang dapat dibagi menjadi silikon monokristalin, silikon polikristalin, dan sel surya silikon amorf. Kutub konversi fotolistrik teoritis sel silikon kristal adalah 29,4%, dan lingkungan laboratorium saat ini dapat mencapai maksimum 26,7%, yang sangat dekat dengan batas atas konversi; Dapat diperkirakan bahwa keuntungan marjinal dari kemajuan teknologi juga akan semakin kecil. Sebaliknya, efisiensi konversi fotovoltaik sel perovskit memiliki nilai kutub teoritis yang lebih tinggi yaitu 33%, dan jika dua sel perovskit ditumpuk bersama-sama, efisiensi konversi teoritis dapat mencapai 45%.
Selain “efisiensi”, faktor penting lainnya adalah “biaya”. Misalnya, alasan mengapa harga baterai film tipis generasi pertama tidak bisa turun adalah karena cadangan kadmium dan galium, yang merupakan unsur langka di bumi, terlalu kecil, dan akibatnya, industri semakin berkembang. Artinya, semakin besar permintaan, semakin tinggi pula biaya produksinya, dan tidak pernah mampu menjadi produk mainstream. Bahan baku perovskit tersebar dalam jumlah besar di muka bumi, dan harganya juga sangat murah.
Selain itu, ketebalan lapisan bijih kalsium-titanium untuk baterai bijih kalsium-titanium hanya beberapa ratus nanometer, sekitar 1/500 dari wafer silikon, yang berarti permintaan bahan tersebut sangat kecil. Misalnya, permintaan global saat ini atas bahan silikon untuk sel silikon kristalin adalah sekitar 500.000 ton per tahun, dan jika semuanya diganti dengan sel perovskit, hanya dibutuhkan sekitar 1.000 ton perovskit.
Dari segi biaya produksi, sel silikon kristal memerlukan pemurnian silikon hingga 99,9999%, sehingga silikon harus dipanaskan hingga 1400 derajat Celcius, dilebur menjadi cairan, ditarik menjadi batang dan irisan bundar, lalu dirakit menjadi sel, dengan setidaknya empat pabrik dan dua hingga tiga hari di antaranya, dan konsumsi energi yang lebih besar. Sebaliknya, untuk produksi sel perovskit, hanya perlu mengoleskan cairan dasar perovskit ke substrat lalu menunggu kristalisasi. Keseluruhan proses hanya melibatkan kaca, film perekat, perovskit dan bahan kimia, dan dapat diselesaikan di satu pabrik, dan keseluruhan proses hanya memakan waktu sekitar 45 menit.
“Sel surya yang dibuat dari perovskit memiliki efisiensi konversi fotolistrik yang sangat baik, yang telah mencapai 25,7% pada tahap ini, dan mungkin menggantikan sel surya tradisional berbasis silikon di masa depan untuk menjadi sel surya komersial.” kata Luo Jingshan.
Ada tiga masalah besar yang perlu dipecahkan untuk mendorong industrialisasi
Dalam memajukan industrialisasi kalkosit, masyarakat masih perlu menyelesaikan 3 permasalahan yaitu stabilitas kalkosit dalam jangka panjang, penyiapan area yang luas dan toksisitas timbal.
Pertama, perovskit sangat sensitif terhadap lingkungan, dan faktor-faktor seperti suhu, kelembaban, cahaya, dan beban sirkuit dapat menyebabkan dekomposisi perovskit dan penurunan efisiensi sel. Saat ini sebagian besar modul perovskit laboratorium tidak memenuhi standar internasional IEC 61215 untuk produk fotovoltaik, juga tidak mencapai masa pakai sel surya silikon 10-20 tahun, sehingga biaya perovskit masih belum menguntungkan di bidang fotovoltaik tradisional. Selain itu, mekanisme degradasi perovskit dan perangkatnya sangat kompleks, dan tidak ada pemahaman yang jelas tentang proses di lapangan, juga tidak ada standar kuantitatif terpadu, yang merugikan penelitian stabilitas.
Persoalan besar lainnya adalah bagaimana mempersiapkannya dalam skala besar. Saat ini, ketika studi optimasi perangkat dilakukan di laboratorium, area cahaya efektif perangkat yang digunakan biasanya kurang dari 1 cm2, dan ketika sampai pada tahap penerapan komersial komponen skala besar, metode persiapan laboratorium perlu ditingkatkan. atau diganti. Metode utama yang saat ini diterapkan pada pembuatan film perovskit area luas adalah metode larutan dan metode penguapan vakum. Dalam metode larutan, konsentrasi dan rasio larutan prekursor, jenis pelarut, dan waktu penyimpanan mempunyai pengaruh yang besar terhadap kualitas film perovskit. Metode penguapan vakum menghasilkan deposisi film perovskit yang berkualitas baik dan terkendali, namun sekali lagi sulit untuk mencapai kontak yang baik antara prekursor dan substrat. Selain itu, karena lapisan pengangkut muatan perangkat perovskit juga perlu disiapkan di area yang luas, jalur produksi dengan pengendapan terus menerus pada setiap lapisan perlu dibuat dalam produksi industri. Secara keseluruhan, proses preparasi film tipis perovskit pada area luas masih memerlukan optimalisasi lebih lanjut.
Yang terakhir, toksisitas timbal juga merupakan isu yang memprihatinkan. Selama proses penuaan perangkat perovskit berefisiensi tinggi saat ini, perovskit akan terurai menghasilkan ion timbal bebas dan monomer timbal, yang akan berbahaya bagi kesehatan begitu masuk ke dalam tubuh manusia.
Luo Jingshan percaya bahwa masalah seperti stabilitas dapat diselesaikan dengan pengemasan perangkat. “Jika ke depan kedua permasalahan tersebut terselesaikan, juga harus ada proses persiapan yang matang, bisa juga membuat perangkat perovskit menjadi kaca tembus pandang atau dilakukan pada permukaan bangunan untuk mencapai integrasi bangunan fotovoltaik, atau dibuat menjadi perangkat lipat fleksibel untuk dirgantara dan bidang lain, sehingga perovskit di ruang angkasa tanpa lingkungan air dan oksigen dapat berperan maksimal.” Luo Jingshan yakin dengan masa depan perovskit.
Waktu posting: 15 April-2023