إيجابيات وسلبيات البيروفسكايت لتطبيقات الخلايا الشمسية

في الصناعة الكهروضوئية، كان الطلب على البيروفسكايت مرتفعًا في السنوات الأخيرة. ويرجع السبب في ظهورها على أنها "المفضلة" في مجال الخلايا الشمسية إلى ظروفها الفريدة. يتمتع خام تيتانيوم الكالسيوم بالعديد من الخصائص الكهروضوئية الممتازة، وعملية تحضير بسيطة، ومجموعة واسعة من المواد الخام والمحتوى الوفير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام البيروفسكايت في محطات الطاقة الأرضية والطيران والبناء وأجهزة توليد الطاقة القابلة للارتداء والعديد من المجالات الأخرى.
في 21 مارس، تقدمت صحيفة نينغده تايمز بطلب للحصول على براءة اختراع "الخلية الشمسية من تيتانيت الكالسيوم وطريقة تحضيرها وجهاز الطاقة". في السنوات الأخيرة، وبدعم من السياسات والتدابير المحلية، خطت صناعة خام الكالسيوم والتيتانيوم، ممثلة بالخلايا الشمسية لخام الكالسيوم والتيتانيوم، خطوات كبيرة. إذن ما هو البيروفسكايت؟ كيف يتم تصنيع البيروفسكايت؟ ما هي التحديات التي لا تزال تواجه؟ أجرى مراسل العلوم والتكنولوجيا اليومية مقابلات مع الخبراء المعنيين.

البيروفسكايت ليس الكالسيوم ولا التيتانيوم.

إن ما يسمى بالبيروفسكايت ليس كالسيوم ولا تيتانيوم، ولكنه مصطلح عام لفئة من "أكاسيد السيراميك" لها نفس التركيب البلوري، مع الصيغة الجزيئية ABX3. يرمز A إلى "الكاتيون نصف القطر الكبير"، B إلى "الكاتيون المعدني" وX إلى "أنيون الهالوجين". يرمز A إلى "كاتيون نصف قطر كبير"، ويرمز B إلى "كاتيون معدني" ويرمز X إلى "أنيون الهالوجين". يمكن لهذه الأيونات الثلاثة أن تظهر العديد من الخصائص الفيزيائية المذهلة من خلال ترتيب العناصر المختلفة أو عن طريق ضبط المسافة بينها، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر العزل، والكهرباء الحديدية، والمغناطيسية المضادة، والتأثير المغناطيسي العملاق، وما إلى ذلك.
"وفقًا للتركيب العنصري للمادة، يمكن تقسيم البيروفسكايت تقريبًا إلى ثلاث فئات: بيروفسكايت أكسيد المعدن المركب، والبيروفسكايت الهجين العضوي، والبيروفسكايت المهلجنة غير العضوية." وأوضح لوه جينغشان، الأستاذ في كلية المعلومات الإلكترونية والهندسة البصرية بجامعة نانكاى، أن تيتانيت الكالسيوم المستخدم الآن في الخلايا الكهروضوئية عادة ما يكون الأخيرين.
يمكن استخدام البيروفسكايت في العديد من المجالات مثل محطات الطاقة الأرضية والفضاء والبناء وأجهزة توليد الطاقة القابلة للارتداء. من بينها، المجال الكهروضوئي هو مجال التطبيق الرئيسي للبيروفسكايت. تتميز هياكل تيتانيت الكالسيوم بأنها قابلة للتصميم بدرجة عالية ولها أداء كهروضوئي جيد جدًا، وهو اتجاه بحثي شائع في مجال الطاقة الكهروضوئية في السنوات الأخيرة.
يتسارع تصنيع البيروفسكايت، وتتنافس الشركات المحلية على التصميم. يُذكر أنه تم شحن أول 5000 قطعة من وحدات خام تيتانيوم الكالسيوم من شركة Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd؛ تعمل شركة Renshuo Photovoltaic (Suzhou) المحدودة أيضًا على تسريع بناء أكبر خط تجريبي في العالم لطبقة خام الكالسيوم والتيتانيوم بالكامل بقدرة 150 ميجاوات؛ تم الانتهاء من خط إنتاج الوحدات الكهروضوئية لخام الكالسيوم والتيتانيوم بقدرة 150 ميجاوات وتشغيله في ديسمبر 2022، ويمكن أن تصل قيمة الإنتاج السنوي إلى 300 مليون يوان بعد الوصول إلى الإنتاج.

يتمتع خام التيتانيوم والكالسيوم بمزايا واضحة في الصناعة الكهروضوئية

في الصناعة الكهروضوئية، كان الطلب على البيروفسكايت مرتفعًا في السنوات الأخيرة. يرجع السبب في ظهورها على أنها "المفضلة" في مجال الخلايا الشمسية إلى ظروفها الفريدة.
"أولاً، يتمتع البيروفسكايت بالعديد من الخصائص الإلكترونية الضوئية الممتازة، مثل فجوة النطاق القابلة للتعديل، ومعامل الامتصاص العالي، وطاقة ربط الإكسيتون المنخفضة، وحركة الناقل العالية، والتسامح العالي للعيوب، وما إلى ذلك؛ ثانيًا، عملية تحضير البيروفسكايت بسيطة ويمكن أن تحقق الشفافية، والخفة الفائقة، والنحافة الفائقة، والمرونة، وما إلى ذلك. وأخيرًا، المواد الخام للبيروفسكايت متاحة ووفيرة على نطاق واسع. قدم لوه جينغشان. ويتطلب تحضير البيروفسكايت أيضًا درجة نقاء منخفضة نسبيًا للمواد الخام.
في الوقت الحاضر، يستخدم المجال الكهروضوئي عددًا كبيرًا من الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون، والتي يمكن تقسيمها إلى خلايا السيليكون أحادية البلورية، والسيليكون متعدد البلورات، والخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة. يبلغ قطب التحويل الكهروضوئي النظري لخلايا السيليكون البلورية 29.4%، ويمكن أن تصل بيئة المختبر الحالية إلى 26.7% كحد أقصى، وهو قريب جدًا من سقف التحويل؛ ومن المتوقع أن يصبح المكسب الهامشي الناتج عن التحسن التكنولوجي أصغر فأصغر. في المقابل، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئية لخلايا البيروفسكايت لها قيمة قطبية نظرية أعلى تبلغ 33%، وإذا تم تجميع خليتين بيروفسكايت لأعلى ولأسفل معًا، يمكن أن تصل كفاءة التحويل النظرية إلى 45%.
بالإضافة إلى "الكفاءة"، هناك عامل مهم آخر هو "التكلفة". على سبيل المثال، السبب وراء عدم إمكانية انخفاض تكلفة الجيل الأول من بطاريات الأغشية الرقيقة هو أن احتياطيات الكادميوم والغاليوم، وهي عناصر نادرة على الأرض، صغيرة جدًا، ونتيجة لذلك، كلما تطورت الصناعة هو أنه كلما زاد الطلب، زادت تكلفة الإنتاج، ولم يتمكن أبدًا من أن يصبح منتجًا رئيسيًا. وتتوزع المواد الخام للبيروفسكايت بكميات كبيرة على الأرض، كما أن سعرها رخيص جداً.
بالإضافة إلى ذلك، يبلغ سمك طبقة خام الكالسيوم والتيتانيوم لبطاريات خام الكالسيوم والتيتانيوم بضع مئات من النانومترات فقط، أي حوالي 1/500 من سمك رقائق السيليكون، مما يعني أن الطلب على المادة صغير جدًا. على سبيل المثال، يبلغ الطلب العالمي الحالي على مادة السيليكون لخلايا السيليكون البلورية حوالي 500 ألف طن سنويًا، وإذا تم استبدالها جميعًا بخلايا البيروفسكايت، فستكون هناك حاجة إلى حوالي 1000 طن فقط من البيروفسكايت.
ومن حيث تكاليف التصنيع، تتطلب خلايا السيليكون البلورية تنقية السيليكون بنسبة 99.9999%، لذلك يجب تسخين السيليكون إلى 1400 درجة مئوية، وصهره إلى سائل، وسحبه إلى قضبان وشرائح مستديرة، ثم تجميعه في خلايا، مع ما لا يقل عن أربعة مصانع واثنين. إلى ثلاثة أيام بينهما، وزيادة استهلاك الطاقة. في المقابل، لإنتاج خلايا البيروفسكايت، من الضروري فقط تطبيق سائل قاعدة البيروفسكايت على الركيزة ثم انتظار التبلور. تتضمن العملية برمتها فقط الزجاج والأغشية اللاصقة والبيروفسكايت والمواد الكيميائية، ويمكن إكمالها في مصنع واحد، وتستغرق العملية بأكملها حوالي 45 دقيقة فقط.
"تتمتع الخلايا الشمسية المحضرة من البيروفسكايت بكفاءة تحويل كهروضوئية ممتازة، والتي وصلت إلى 25.7% في هذه المرحلة، وقد تحل محل الخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون في المستقبل لتصبح الاتجاه التجاري السائد." "وقال لوه جينغشان.
هناك ثلاث مشاكل رئيسية تحتاج إلى حل لتعزيز التصنيع

في تقدم تصنيع الكالكوسيت، لا يزال الناس بحاجة إلى حل ثلاث مشكلات، وهي استقرار الكالكوسيت على المدى الطويل، وإعداد مساحة كبيرة وسمية الرصاص.
أولاً، البيروفسكايت حساس جدًا للبيئة، ويمكن أن تؤدي عوامل مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء وحمل الدائرة إلى تحلل البيروفسكايت وتقليل كفاءة الخلية. في الوقت الحالي، لا تستوفي معظم وحدات البيروفسكايت المختبرية المعيار الدولي IEC 61215 للمنتجات الكهروضوئية، كما أنها لا تصل إلى عمر خلايا السيليكون الشمسية الذي يتراوح بين 10 إلى 20 عامًا، وبالتالي فإن تكلفة البيروفسكايت لا تزال غير مفيدة في المجال الكهروضوئي التقليدي. بالإضافة إلى ذلك، فإن آلية تحلل البيروفسكايت وأجهزته معقدة للغاية، ولا يوجد فهم واضح جدًا للعملية في هذا المجال، ولا يوجد معيار كمي موحد، مما يضر بأبحاث الاستقرار.
قضية رئيسية أخرى هي كيفية إعدادهم على نطاق واسع. في الوقت الحالي، عند إجراء دراسات تحسين الأجهزة في المختبر، تكون مساحة الضوء الفعالة للأجهزة المستخدمة عادةً أقل من 1 سم2، وعندما يتعلق الأمر بمرحلة التطبيق التجاري للمكونات واسعة النطاق، فإن طرق إعداد المختبر تحتاج إلى تحسين أو استبدالها. الطرق الرئيسية المطبقة حاليًا لتحضير أفلام البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة هي طريقة الحل وطريقة التبخر الفراغي. في طريقة المحلول، يكون لتركيز ونسبة المحلول الأولي ونوع المذيب ووقت التخزين تأثير كبير على جودة أفلام البيروفسكايت. تعمل طريقة التبخر الفراغي على إعداد ترسيب جيد النوعية ويمكن التحكم فيه لأفلام البيروفسكايت، ولكن من الصعب مرة أخرى تحقيق اتصال جيد بين السلائف والركائز. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن طبقة نقل الشحنة لجهاز البيروفسكايت تحتاج أيضًا إلى التحضير في منطقة كبيرة، فيجب إنشاء خط إنتاج مع الترسيب المستمر لكل طبقة في الإنتاج الصناعي. بشكل عام، لا تزال عملية إعداد الأغشية الرقيقة من البيروفسكايت على مساحة كبيرة بحاجة إلى مزيد من التحسين.
وأخيرا، فإن سمية الرصاص هي أيضا مسألة مثيرة للقلق. أثناء عملية الشيخوخة لأجهزة البيروفسكايت الحالية عالية الكفاءة، سوف يتحلل البيروفسكايت لإنتاج أيونات الرصاص الحرة ومونومرات الرصاص، والتي ستكون خطرة على الصحة بمجرد دخولها جسم الإنسان.
يعتقد Luo Jingshan أن مشاكل مثل الاستقرار يمكن حلها عن طريق تغليف الجهاز. "إذا تم حل هاتين المشكلتين في المستقبل، فهناك أيضًا عملية إعداد ناضجة، ويمكن أيضًا تحويل أجهزة البيروفسكايت إلى زجاج شفاف أو وضعها على سطح المباني لتحقيق تكامل المباني الكهروضوئية، أو تحويلها إلى أجهزة مرنة قابلة للطي للفضاء و مجالات أخرى، بحيث يلعب البيروفسكايت في الفضاء بدون بيئة الماء والأكسجين الدور الأقصى. لوه جينغشان واثق من مستقبل البيروفسكايت.