הבנת תאים סולאריים Perovskite

תאים סולאריים Perovskite מייצגים שינוי פרדיגמטי בטכנולוגיה פוטו-וולטאית.בניגוד לתאי השמש מבוססי סיליקון קונבנציונליים ששלטו בשוק במשך עשרות שנים, מכשירים perovskite משתמשים בכיתה של חומרים עם מבנה גבישי ספציפי - אותו מבנה כמו מינרל perovskite (calcium titanium oxide oxide oxide ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

היתרון המרכזי הוא בחומר ’sFLT:0; תכונות אופטיות אופציונליות אופטימטרונזיות סלק 1: קליטת ספיגה גבוהה, אורך ייצור ארוך, ו- Tuble Bandgap.זה אומר סרט דק רק כמה מאות ננומטרים עבה יכול לספוג הרבה יותר אור כמו סיליקון מנפח מאות מיקרומטר עבה.

מה הופך את Perovskites ייחודי?

שלושה מאפיינים להגדיר תאים סולאריים perovskite מלבד טכנולוגיות מסורתיות:

  • יעילות גבוהה עם חומר מינימלי של 1 (FLT:0) יעילות מעבדה עלתה מ-4% בשנת 2009 ליותר מ-25% כיום, תוך תחרות סיליקון מונוקריסטלליין.
  • (FLT:0) תהליך של תהלוכות של Solution (Solution Processmentability) 1:1 - ניתן לפרק את החומרים במכוון ומופקד באמצעות טכניקות כמו ציפוי ספינ-קוטינג, או הדפסה דיו-ג'ט.זה מבטל את צמיחת החרקים וההתפרענת של האנרגיה הנדרשת לסיליקון.
  • (FLT:0) ניתן להתאים את ה-SgapFLT:1 - על ידי שינוי ההרכב ההלכתי, את ה-Sgap ניתן להתאים לאורך הספקטרום הנראה לעין, המאפשר מכשירים טנדם ללכוד מגוון רחב יותר של אור השמש.

האבולוציה של המעבדה לפאב

העלייה המהירה של יעילות perovskite תואמת על ידי הגדלת עניין מסחרי. Startups ויצרנים מבוססים כאחד להשקיע קווי טייס וייצור בשלבים מוקדמים.המסע ממכשירים בקנה מידה מעבדה (בדרך כלל 0.1 ס"מ2) למודולים מסחריים (מעל 100 ס"מ2) נדרש לפתור אתגרים בסיסיים בציפוי אחידות, בקרה פגומה, וקידמה בחמש השנים האחרונות הייתה משמעותית, עם כמה חברות המציעות כיום מודולים בקנה מידה קטן עבור יישומים נישה.

פריצות טכנולוגיות אחרונות

בשנתיים האחרונות הביאה גל של חידושים המתייחסים לחולשות ההיסטוריות של תאים סולאריים perovskite: יציבות בתנאים בעולם האמיתי, יעילות בקנה מידה, ובטיחות סביבתית.

הנדסה ליציבות

ניסוחים ראשוניים perovskite סבלו מהשפלה מהירה כאשר נחשפים לחות, חמצן, חום או אור שמש מתמשך. חוקרים הגיבו על ידי פיתוח FLT:0complex multi-cationsive-halidessveFLT:1 Mixing Formamidinium, cesium, ו rubidium עם methylammonium הביא חומרים עם שיפור חום ויציבות מבנית.

עבודה עדכנית הדגים מכשירים ששמרו על יותר מ-90% מהיעילות הראשונית שלהם לאחר 1,000 שעות של פעילות רציפה ב- 85 מעלות צלזיוס - מדד קריטי לאסטרטגיות של קיבולת מסחרית. Encapsulation באמצעות פיזור שכבתי אטומי (ALD) של oxide או סרטי מחסום פולימרימוס מרחיבים את החיים התפעוליים.

מיפוי ו- Defect Passivation

הפסדים אנרגיה בממשקים בין שכבת perovskite לבין שכבות מטען המטען (שכבת תחבורה אלקטרונית ושכבת הובלה חור) היו מגבילים יעילות עיקרית.התקדמות בהנדסת ממשק הציגה:0) מונות מאגדות (SAMs)FLT:1 אשר להפחית את הפסדי השבה ושיפור היערכות.

התוצאה היא דור חדש של מכשירים עם יעילות גבוהה מעל 25% על תאים קטנים ומעל 20% על מיני-מודולים.הרווחים האלה אינם רק מצטברים - הם מייצגים שינוי שלב שהופך את הטכנולוגיה perovskite תחרותית מסחרית עם סיליקון במקרים רבים של שימוש.

שיטות ייצור סקאלה

תרגום של ספין-קו-הייצור בקנה מידה תעשייתי דורש טכניקות שונות לחלוטין.השיטות המבטיחות ביותר כוללות:

  • (FLT:0) ציפוי דיפלור 1:1 - שיטה לפני מטר המספק סרט רטוב אחיד על פני אזורים גדולים, תואם עיבוד רול-טו-גלגל על תת-שכבות גמישות.
  • (ב) ⁇ :0) ציפוי מניסקוס-הנחוצים 1 (FLT:1 ), טכניקות כמו ציפוי להב וציפוי בר שכבר נמצאים בשימוש בתעשיית ההדפסה.
  • (ב) ⁇ :0) ,Vapor depositionFLT:1 - הערכת מבשרי perovskite תחת ואקום עבור אחידות גבוהה ושליטה, במיוחד מתאים למכשירים טנדום.

חברות כמו אוקספורד PV ו-Sele Technologies הוכיחו קווי טייס המסוגלים לייצר מודולים על סוללים פולימרים גמישים במהירויות של מעל 10 מטרים לדקה.ההוצאה הון של קו ייצור perovskite מוערך להיות FLT:050-70% מתחת ל-FLT 1 מאשר עבור קו סיליקון שווה ערך, מה שהופך אותו נגיש באזורים שבהם בניית סיליקון יהיה לא כלכלי.

Perovskite Solar Cells in Distributed Power Applications

כוח ממורש – ייצור חשמל קרוב לנקודה של שימוש – הוא אזור צמיחה המונע על ידי ירידה בעלויות הסוללה, חוסר יציבות ברשת, והרצון לעצמאות אנרגיה. תאים סולאריים Perovskite מתאימים באופן ייחודי לשוק זה כי הם משלבים יעילות גבוהה עם גורמים צורה כי הם בלתי אפשריים לסיליקון.

תצלומים משולבים (BIPV)

מבנים מהווים כ-40% מצריכת האנרגיה העולמית.השילוב של הדור הסולארי ישירות לתוך חומרי בניין יכול לזרז את הביקוש הזה מבלי לדרוש אדמה נוספת.תאים Perovskite ניתן לייצר כ-FLT:0semi ⁇ סרטים FLT:1 אשר מחליפים חלונות, כמו לוחות צבעוניים המתמזגים עם ארכיטקטורות אסתטיות, או כדונות גמישים החלים על גגות מעוקלות וחזיתות.

הפגנות אחרונות כוללות קאנופיית פוטו-וולטאית באורך 7 מטרים, המורכבת לחלוטין ממודולים perovskite, ומייצרת מספיק כוח כדי להדוף חלק מהמבנה & #8217; עומס תאורה.המבנה הקל (תחת 1 ק"ג למטר רבוע, בהשוואה ל 10-15 ק"ג עבור מודולי זכוכית) מקטין את דרישות העומס והעלויות ההתקנה מבניות.

פתרונות אנרגיה ו- Off-Grid Energy Solutions

הגמישות והמשקל הנמוך של תאי perovskite פותחים יישומים באלקטרוניקה ניידת: תרמילים טעינה, ציוד קמפינג, ציוד רפואי שדה וחיישנים מרוחקים. A perovskite פאנל של כוח שווה ערך ללוח הסיליקון שוקל בערך חמישי כמה שיותר ויכול להיות מגולגל לאחסון.עבורת:0-off-gridקהילות 1 LT:1 באזורים מתפתחים, יכולת זו נמוכה באופן דרסטי את עלויות הלוגיה או מייל אחרון.

מערכות בקנה מידה קטן מחוץ ל-grid המבוססות על מודולים perovskite בשילוב עם סוללות ליתיום-יון נשפטים בהודו הכפרית ואפריקה שמדרום לסהרה.העלות לוואט צפויה ליפול מתחת ל-020 עד 2026, בהשוואה ל-0.35 עבור פתרונות מבוססי סיליקון נוכחיים, מה שהופך חשמל סולארי לזמין עבור משקי בית אשר עכשיו מסתמכים על מנורות או דיזל.

אגריבוטאיקים ומתקנים מיוחדים

אגריקויי – שילוב של דור השמש עם חקלאות – דורש לוחות המאפשרים העברת אור חלקית לגידול ביבול.סרטים perovskite למחצה ניתן להנדס עם חלונות שידור המותאמים לספקטרום הפוטוסינתזה של גידולים ספציפיים.ניסויים מוקדמים עם עגבניות, Lettuce, ותיבולי תיבול להראות כי FLT:0yield הפסדים הם 10-20%FalLT:1 בעוד לייצר חשמל זה מוסיף הכנסה שנייה עבור חקלאים.

יישומים מיוחדים אחרים כוללים הפעלת רשתות חיישן IoT בחקלאות מדויקת, שילוב לתוך גגות חממה, ואפילו מערך קל משקל להקלת אסון ובסיסים צבאיים קדימה תפעול.

כתובת לאתגרים

למרות ההתקדמות המהירה, המכשולים המשמעותיים נשארים בין אבטיפוס נוכחי לאימוץ מסחרי נרחב.התעשייה עובדת באופן פעיל בשלוש חזיתות: יציבות, רעילות וקנה מידה.

יציבות וחיים

הדאגה היחידה המצוטטת ביותר לגבי תאים סולאריים perovskite היא החיים התפעוליים שלהם, בעוד מכשירים במעבדה לשרוד אלפי שעות תחת בדיקות ההזדקנות מואצות, תנאים בעולם האמיתי מורכבים יותר: אופניים תרמיים יומיים, חשיפה ל-UV, לחות וסטרס מכני.ה-FLT:0 International Electrotechnical Commission (IEC) 612FLT:1 סטנדרטי, הדורשים תחזיות של 25 שנים לפאנלים, עדיין לא נפגשו על ידי מוצר אלקטרונים.

התקדמות נעשית.טכניקות של קיבולת המשלבות שכבות מחסום אורגניות עם חותמות פולימרים דחף תקופות חיים צפויות ל 10-15 שנים תחת אקלים מתון.עבור יישומים מבוזרים, עם זאת, חיים של 10 שנים יכול להיות מקובל אם העלות לוואט הוא נמוך מספיק.העבודה הכלכלית: מודול perovskite שעולה $ / 15W ו נמשך 10 שנים האחרונות מספק עלות מופחתת של אנרגיה (LCO) ל- 30 / 30 / 30 / 30 $.

להוביל את השקיפות ואלטרנטיבה חופשית

התאים המתקדמים ביותר מכילים תוצאות, העלאת חששות לגבי השפעות סביבתיות ובריאות מייצור, תפעול או סילוק.כמות ההובלה במודול perovskite היא קטנה - 0-0.2% ממשקל סוללה של אחסון אנרגיה דומה - אבל דליפת לא ניתן להתעלם.

שתי גישות משלימות נמצאות בחקירה:

  • (FLT:0Lead-freeקומפוזיציהsFLT:1) - perovskites מבוסס טינטין (כמו CSnI3 ו FASnI3) השיגו יעילות מעל 13%, למרות שהם סובלים מחמצן מהיר.Bsmuth חלופות אנטיmony נחקרים גם, עם יעילות סביב 46%.
  • (FLT:0) לכידת ומחזוריות של ההרחבה:1) - רובוסט capsulation המונעת הדליפה מובילה תחת גשם או תנאי קרקע, בשילוב עם פרוטוקולים מיחזור סוף חיים שמשחזרים להוביל וחומרים אחרים, יכול להפחית את הסיכון הסביבתי.

סקלאלה ויציבות מסחרית

מעבר מקווי טייס לייצור בקנה מידה ג'יגהאט דורש פתרון אחידות, תשואה, ובקרת פגם על פני אזורים נמדדים במ"ר, לא סנטימטר רבועים.הסובלנות של סרטי perovskite נמוכה יותר מאשר עבור סיליקון - חור או וריאציות עובי של 50 nm יכול לגרום מעגלים קצרים מקומיים אשר מפחיתים את פלט כוח מודול.

יצרני ציוד מגיבים עם כלי בדיקה מקוונים המבוססים על הדמיה ומיפוי אלקטרו-מיידינescence. Machine Learning אלגוריתמים המוכשרים על מסדי נתונים פגומים יכולים לזהות אזורים בעייתיים בזמן אמת ולתאם פרמטרים של ציפוי.המפעלים הראשונים של perovskite-רק צפויים להגיע ל -100 MW קיבולת שנתית עד 2025, עם תוכניות בקנה מידה 1 GW עד 2028.

כיוונים עתידיים ו- Outlook

בחמש השנים הקרובות יקבעו האם תאי השמש perovskite יהפכו לשלימים לסיליקון או יורש אמיתי.התרחיש הסביר ביותר הוא עתיד היברידי שבו שתי הטכנולוגיות משתפות, עם perovskites השולטות נישות ספציפיות בכח מבוזר.

Tandem ו- Multi-Junction מכשירים

היישום בעל ערך גבוה המיידי ביותר הוא FLT:0 [perovskite-on-silicon tandemתאים סגסוגת FLT:1, שבו תא העליון perovskite ללכוד פוטונים כחולים ותא סיליקון התחתון ללכוד אדום וקרוב לתמונות אינפרא אדום.אוקספורד PV הוכיח טנדמס עם 28.5% יעילות - מעל הגבול התיאורטי של סיליקון חד פעמי (כ 294%).

תאים אלה מציעים מסלול כדי > 30% יעילות מודול, פוטנציאל להפחית את עלויות האיזון של המערכת עבור מתקנים בקנה מידה כלי רכב. עבור יישומים מבוזר, מודול יעיל 30% מייצרת פעמיים את הכוח למטר רבוע של מודול סיליקון סטנדרטי, מה שהופך אותו אטרקטיבי עבור מתקנים גג עם שטח מוגבל.

שילוב חכם עם אחסון אנרגיה

האופי הקל והגמי של מודולים perovskite הופך אותם אידיאליים עבור שילוב עם משטחים בנייה ומכשירים ניידים. pairing אותם עם סוללות מוצקות של מדינת ארצם או supercapacitors יוצר FLT:0 מערכות המופעלות על ידי עצמם PowerFLT:1 שיכול לפעול באופן עצמאי של הרשת. חוקרים ב RIKEN הראו מודול perovskite משולב עם תא המטען ליתיום-שטוש כי הוא חיובי באור יום ומערכת LED דרך הלילה.

מיקרו-מורנטים חכמים עם מעקב מקסימלי של נקודות כוח (MPPT) מותאם למאפיינים הנוכחיים של מודולים perovskite הם גם בפיתוח.המניעים האלה לפצות על הציפוי הגבוה יותר ושינויים עתידיים יותר של מכשירים perovskite, להבטיח הפעלה יציבה תחת שינוי אינסאדי.

מדיניות ונהגי שוק

המדיניות הממשלתית מתחילה לזהות את החשיבות האסטרטגית של טכנולוגיית perovskite.המחלקה האמריקאית לאנרגיה ’sFLT:0Photovoltaic Research and Development ProgramFLT:1 כבר הקצתה למעלה מ-50 מיליון דולר במיוחד לפרויקטים perovskite מאז 2020.

אנליסטים בשוק בפרויקט בלומברגNEF כי מודולים perovskite לוכדים 5-10% מהשוק הסולארי העולמי עד 2030, המונעת בעיקר על ידי יישומים מבוזרים שבו גורמי הטופס הייחודי שלהם מספקים יתרון מובהק על סיליקון.השוק שניתן לטפל בו עבור מוצרי perovskite מבניין ומחוצה לה מוערך ב-15-25 מיליארד דולר בשנה על ידי תאריך זה.

מסקנה

תאי השמש Perovskite הפכו את המעבר מסקרנות מעבדה למועמד רציני עבור הדור הבא photovoltaics.ההתקדמות בהנדסה הרכב, העברת ממשק, וייצור מדרגים פתרו רבים מהדאגות המוקדמות על יציבות וחידושים. עבור יישומי חשמל מבוזרים - שבו אנרגיה קלה, גמישה, ונמוכת נמוכה היא בעלת ערך רב ביותר - טכנולוגיית perovskite מציעה נתיב זול יותר וזמין יותר חשמל סולארי.

האתגרים הנותרים של יציבות ארוכת טווח, רעילות מובילה ותשואות הייצור מטופלים באופן פעיל על ידי קהילת מחקר גלובלית ומספר גדל והולך של שחקנים מסחריים.התכנסות של התקדמות טכנית, ירידה בעלויות, ומסגרות מדיניות תומך מצביעות על עתיד שבו תאים סולאריים perovskite לשחק תפקיד מרכזי במערכות האנרגיה מבוזרות אשר יאלצו בתים, עסקים וקהילות ברחבי העולם.