Dans l’industrie photovoltaïque, la pérovskite a été très demandée ces dernières années.La raison pour laquelle il est devenu le « favori » dans le domaine des cellules solaires est due à ses conditions uniques.Le minerai de calcium et de titane possède de nombreuses excellentes propriétés photovoltaïques, un processus de préparation simple, une large gamme de matières premières et un contenu abondant.En outre, la pérovskite peut également être utilisée dans les centrales électriques au sol, l’aviation, la construction, les dispositifs portables de production d’énergie et bien d’autres domaines.
Le 21 mars, le Ningde Times a déposé une demande de brevet pour « une cellule solaire au titanite de calcium, sa méthode de préparation et son dispositif d'alimentation ».Ces dernières années, avec le soutien de politiques et de mesures nationales, l'industrie du minerai de calcium-titane, représentée par les cellules solaires à minerai de calcium-titane, a fait de grands progrès.Alors, qu’est-ce que la pérovskite ?Comment se déroule l’industrialisation de la pérovskite ?Quels sont les défis qui restent à relever ?Le journaliste du Science and Technology Daily a interviewé les experts concernés.
La pérovskite n'est ni du calcium ni du titane.
Les soi-disant pérovskites ne sont ni du calcium ni du titane, mais un terme générique désignant une classe d'« oxydes céramiques » ayant la même structure cristalline, avec la formule moléculaire ABX3.A signifie « cation à grand rayon », B pour « cation métallique » et X pour « anion halogène ».A signifie « cation à grand rayon », B signifie « cation métallique » et X signifie « anion halogène ».Ces trois ions peuvent présenter de nombreuses propriétés physiques étonnantes grâce à la disposition de différents éléments ou en ajustant la distance entre eux, notamment l'isolation, la ferroélectricité, l'antiferromagnétisme, l'effet magnétique géant, etc.
"Selon la composition élémentaire du matériau, les pérovskites peuvent être grossièrement divisées en trois catégories : les pérovskites à oxydes métalliques complexes, les pérovskites hybrides organiques et les pérovskites halogénées inorganiques."Luo Jingshan, professeur à l'École d'information électronique et d'ingénierie optique de l'Université de Nankai, a expliqué que les titanites de calcium actuellement utilisés dans le photovoltaïque sont généralement les deux derniers.
la pérovskite peut être utilisée dans de nombreux domaines tels que les centrales électriques terrestres, l'aérospatiale, la construction et les dispositifs portables de production d'énergie.Parmi eux, le champ photovoltaïque est le principal domaine d’application de la pérovskite.Les structures en titanite de calcium sont hautement concevables et ont de très bonnes performances photovoltaïques, ce qui constitue une direction de recherche populaire dans le domaine photovoltaïque ces dernières années.
L'industrialisation de la pérovskite s'accélère et les entreprises nationales se disputent l'aménagement.Il est rapporté que les 5 000 premiers modules de minerai de calcium et de titane expédiés de Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd ;Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. accélère également la construction de la plus grande ligne pilote laminée au monde de 150 MW de minerai de titane et de calcium entièrement laminé ;Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. La ligne de production de modules photovoltaïques à minerai de calcium-titane de 150 MW a été achevée et mise en service en décembre 2022, et la valeur de production annuelle peut atteindre 300 millions de yuans après avoir atteint la production.
Le minerai de titane et de calcium présente des avantages évidents dans l'industrie photovoltaïque
Dans l’industrie photovoltaïque, la pérovskite a été très demandée ces dernières années.La raison pour laquelle il est devenu le « favori » dans le domaine des cellules solaires est due à ses conditions uniques.
« Premièrement, la pérovskite possède de nombreuses excellentes propriétés optoélectroniques, telles qu'une bande interdite réglable, un coefficient d'absorption élevé, une faible énergie de liaison des excitons, une mobilité élevée des porteurs, une tolérance élevée aux défauts, etc.deuxièmement, le processus de préparation de la pérovskite est simple et peut atteindre la translucidité, l’ultra-légèreté, l’ultra-mince, la flexibilité, etc. Enfin, les matières premières pérovskites sont largement disponibles et abondantes.Luo Jingshan a présenté.Et la préparation de la pérovskite nécessite également une pureté relativement faible des matières premières.
À l'heure actuelle, le domaine photovoltaïque utilise un grand nombre de cellules solaires à base de silicium, qui peuvent être divisées en cellules solaires en silicium monocristallin, en silicium polycristallin et en silicium amorphe.Le pôle théorique de conversion photoélectrique des cellules de silicium cristallin est de 29,4 %, et l'environnement actuel du laboratoire peut atteindre un maximum de 26,7 %, ce qui est très proche du plafond de conversion ;il est prévisible que le gain marginal du progrès technologique deviendra également de plus en plus faible.En revanche, l'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules pérovskites a une valeur de pôle théorique plus élevée de 33 %, et si deux cellules pérovskites sont empilées de haut en bas, l'efficacité de conversion théorique peut atteindre 45 %.
Outre « l’efficacité », un autre facteur important est le « coût ».Par exemple, la raison pour laquelle le coût de la première génération de batteries à couches minces ne peut pas baisser est que les réserves de cadmium et de gallium, qui sont des éléments rares sur terre, sont trop faibles et, par conséquent, plus l'industrie est développée. c'est-à-dire que plus la demande est forte, plus le coût de production est élevé, et il n'a jamais pu devenir un produit grand public.Les matières premières de la pérovskite sont distribuées en grandes quantités sur terre et leur prix est également très bon marché.
De plus, l’épaisseur du revêtement de minerai de calcium-titane pour les batteries à minerai de calcium-titane n’est que de quelques centaines de nanomètres, soit environ 1/500ème de celle des plaquettes de silicium, ce qui signifie que la demande pour ce matériau est très faible.Par exemple, la demande mondiale actuelle de silicium pour les cellules en silicium cristallin est d'environ 500 000 tonnes par an, et si toutes ces cellules sont remplacées par des cellules à pérovskite, seulement environ 1 000 tonnes de pérovskite seront nécessaires.
En termes de coûts de fabrication, les cellules de silicium cristallin nécessitent une purification du silicium à 99,9999 %, de sorte que le silicium doit être chauffé à 1 400 degrés Celsius, fondu en liquide, étiré en tiges rondes et en tranches, puis assemblé en cellules, avec au moins quatre usines et deux à trois jours d'intervalle, et une consommation d'énergie plus importante.En revanche, pour la production de cellules pérovskites, il suffit d’appliquer le liquide de base pérovskite sur le substrat puis d’attendre la cristallisation.L'ensemble du processus implique uniquement du verre, un film adhésif, de la pérovskite et des matériaux chimiques, et peut être réalisé dans une seule usine, et l'ensemble du processus ne prend que 45 minutes environ.
« Les cellules solaires préparées à partir de pérovskite ont un excellent rendement de conversion photoélectrique, qui a atteint 25,7 % à ce stade, et pourraient remplacer à l’avenir les cellules solaires traditionnelles à base de silicium pour devenir le courant commercial. »Luo Jingshan a dit.
Il y a trois problèmes majeurs à résoudre pour promouvoir l’industrialisation
Pour faire progresser l'industrialisation de la chalcocite, les gens doivent encore résoudre 3 problèmes, à savoir la stabilité à long terme de la chalcocite, la préparation sur de grandes surfaces et la toxicité du plomb.
Premièrement, la pérovskite est très sensible à l’environnement et des facteurs tels que la température, l’humidité, la lumière et la charge du circuit peuvent entraîner la décomposition de la pérovskite et la réduction de l’efficacité des cellules.Actuellement, la plupart des modules de pérovskite de laboratoire ne répondent pas à la norme internationale CEI 61215 pour les produits photovoltaïques et n'atteignent pas non plus la durée de vie de 10 à 20 ans des cellules solaires en silicium. Le coût de la pérovskite n'est donc toujours pas avantageux dans le domaine photovoltaïque traditionnel.De plus, le mécanisme de dégradation de la pérovskite et de ses dispositifs est très complexe, et il n’existe pas de compréhension très claire du processus sur le terrain, ni de norme quantitative unifiée, ce qui nuit à la recherche sur la stabilité.
Un autre enjeu majeur est de savoir comment les préparer à grande échelle.Actuellement, lorsque des études d'optimisation de dispositifs sont réalisées en laboratoire, la surface lumineuse effective des dispositifs utilisés est généralement inférieure à 1 cm2, et lorsqu'il s'agit de la phase d'application commerciale de composants à grande échelle, les méthodes de préparation en laboratoire doivent être améliorées. ou remplacé.Les principales méthodes actuellement applicables à la préparation de films de pérovskite de grande surface sont la méthode de mise en solution et la méthode d'évaporation sous vide.Dans la méthode en solution, la concentration et le rapport de la solution précurseur, le type de solvant et la durée de stockage ont un impact important sur la qualité des films de pérovskite.La méthode d’évaporation sous vide prépare un dépôt de films de pérovskite de bonne qualité et contrôlable, mais il est encore une fois difficile d’obtenir un bon contact entre les précurseurs et les substrats.De plus, étant donné que la couche de transport de charge du dispositif pérovskite doit également être préparée sur une grande surface, une ligne de production avec dépôt continu de chaque couche doit être établie dans la production industrielle.Dans l’ensemble, le processus de préparation sur de grandes surfaces de films minces de pérovskite doit encore être optimisé.
Enfin, la toxicité du plomb est également un sujet de préoccupation.Au cours du processus de vieillissement des dispositifs pérovskites à haut rendement actuels, la pérovskite se décomposera pour produire des ions plomb libres et des monomères de plomb, qui seront dangereux pour la santé une fois entrés dans le corps humain.
Luo Jingshan estime que des problèmes tels que la stabilité peuvent être résolus par l'emballage des appareils."Si à l'avenir, ces deux problèmes sont résolus, il existe également un processus de préparation mature, qui peut également transformer les dispositifs à base de pérovskite en verre translucide ou les appliquer à la surface des bâtiments pour réaliser l'intégration photovoltaïque des bâtiments, ou les transformer en dispositifs pliables flexibles pour l'aérospatiale et d’autres domaines, de sorte que la pérovskite dans l’espace sans environnement d’eau et d’oxygène joue un rôle maximum.Luo Jingshan est confiant quant à l'avenir de la pérovskite.
Heure de publication : 15 avril 2023