Достижения в производстве фотоэлектрических элементов с использованием перовскитных материалов

Что такое перовскитные материалы?

Перовскитные материалы относятся к любому соединению, которое принимает кристаллическую структуру оксида кальция титана (CaTiO3) с общей формулой ABX3. В фотоэлектрических приложениях наиболее распространенными перовскитами являются гибридные органические неорганические галогениды, где A обычно представляет собой метиламмоний (CH3NH3+) или формамидиний (HC(NH2)2+), B представляет собой свинец (Pb2+) или олово (Sn2+), а X представляет собой галоген, такой как йод, бром или хлор. Эта гибкая решетка может быть настроена путем замены различных ионов, что позволяет точно контролировать пропускание полосы, подвижность носителей заряда и спектр поглощения света.

Кристаллическая структура и композиция

Кубинская или тетрагональная структура перовскита состоит из сети угловых BX6 октаэдр, причем катион A-сайта занимает межштатное пространство. Выбор ионов A, B и X резко влияет на оптоэлектронные свойства материала. Например, замена йода бромом расширяет разрыв в полосе, сдвигая край поглощения в сторону более коротких длин волн — полезная характеристика для проектирования тандемных клеток. Способность проектировать композицию на атомном уровне является ключевой причиной того, что перовскиты быстро достигли эффективности преобразования мощности (PCE) выше 25% в лабораторных условиях, согласно данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) [FLT: 1] .

Оптические и электронные свойства

Перовскитные полупроводники демонстрируют удивительно высокие коэффициенты поглощения — более 105 см-1 — это означает, что слой толщиной всего несколько сотен нанометров может поглощать большинство падающих солнечных лучей. Они также обладают длинными носителями заряда диффузионной длины (превышая 1 мкм в высококачественных пленках) и низкими скоростями неизлучающей рекомбинации, что позволяет эффективно извлекать заряд. Эта комбинация редка в традиционных тонкопленочных материалах, таких как теллурид кадмия или селенид меди индия галлия (CIGS). Кроме того, перовскиты имеют острый край поглощения с низкой энергией Урбаха, сводя к минимуму потери подзазора. Эти внутренние свойства делают их идеально подходящими для однопереходной и многопереходной солнечной архитектуры.

Последние достижения в технологиях производства

Инновации в производстве имели решающее значение для перемещения перовскитных солнечных элементов из любопытных мест на коммерческие продукты. Область продвинулась по двум основным маршрутам изготовления: обработка растворов и осаждение паров, каждый из которых имеет явные преимущества для масштабируемости и качества пленки.

Методы, основанные на решениях

Методы обработки раствора, такие как спиновое покрытие, слот-дие покрытие и струйная печать, используют растворимость прекурсоров перовскита в общих растворителях, таких как диметилформамид (DMF) или диметилсульфоксид (DMSO). Спин-покрытие производит высококачественные пленки на небольших подложках (обычно <5 cm²) but is wasteful and unsuitable for mass production. Slot-die coating, in contrast, enables continuous deposition on flexible polymer or metal foil substrates at speeds exceeding 10 meters per minute. A 2021 study in ] Природная энергия ] продемонстрировала слот-дие-покрытие перовскитных модулей с >16% эффективностью более 200 см2 активной площади, ключевая веха для производства рулона к рулону. струйная печать предлагает дополнительную точность, позволяя цифровое моделирование слоев перовскита для тандемных клеток или пользовательских форм, хотя пропускная способность остается проблемой.

Отложение паров

Методы на основе паров, включая термическое испарение, химическое осаждение паров (CVD) и осаждение атомного слоя (ALD), обеспечивают превосходный контроль за толщиной и однородностью пленки, особенно на текстурированных или непланарных поверхностях. При термическом испарении порошки-предшественники нагреваются в вакуумной камере, конденсируясь на слой подложки послоем. Этот подход позволяет избежать дефектов, связанных с растворителем, и остаточных органических лигандов, которые могут поражать пленки, обработанные раствором. Заметным достижением является метод гибридного парового растворения, где неорганический слой галогенида свинца осаждается испарением, а затем преобразуется в фазу перовскита путем воздействия органического галогенида. Этот двухэтапный процесс дает плотные, безконденсированные пленки с чемпионом PCE, превышающим 23%. Осаждение пара также совместимо со стеклянными субстратами большой площади, используемыми в интегрированных в здание фотоэлектрических материалах (B

Интеграция крупносерийного покрытия и модуля

Масштабирование от небольших ячеек до практических модулей требует решения проблемы однородности, межсоединительного написание и инкапсуляции. Исследователи разработали лезвие покрытия и наведение на мениск покрытия для нанесения однородных перовскитных пленок на площади > 100 см2. Кроме того, ультразвуковое распыление покрытия появилось в качестве бесконтактного метода, подходящего для изогнутых или неровных поверхностей, таких как крыши транспортных средств. Интеграция модуля включает лазерную написание для создания серийных соединений - процесс, заимствованный из тонкопленочного кремния производства. Недавняя работа в U.S. Департамента энергетики США SunShot Initiative подтолкнула эффективность мини-модулей выше 20% для субячеек 1 см2, в то время как пилотные производственные линии сообщают о выходе, сопоставимом с ранней стадией производства CIGS.

Преимущества производительности над кремнием

Перовскитные солнечные элементы предлагают сочетание производительности и гибкости, которые кремний не может сравнить, открывая новые области применения и снижая уравновешенную стоимость электроэнергии (LCOE).

Эффективность: маркеры и рекордные клетки

Однопереходные перовскитные ячейки достигли сертифицированного PCE в 25,7% (по состоянию на 2023 год), конкурируя с лучшими монокристаллическими кремниевыми ячейками (26,1%), но с гораздо более простой обработкой. Лабораторные устройства часто полагаются на небольшие активные области (~0,1 см2) и передовые слои переноса заряда, такие как спиро-OMeTAD или SnO2. Быстрое увеличение эффективности - с ~3,8% в 2009 году до >25% сегодня - беспрецедентно в истории фотоэлектрических технологий, как документально подтверждено таблицей эффективности PV Magazine . Ключом к этому прогрессу стала оптимизация верхней ячейки перовскита с широким диапазоном перовскита с кремниевой нижней ячейкой. Ячейки тандема превзошли 33% эффективности в двухконцевых конфигурациях, по словам исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin.

Гибкость и легкий дизайн

В отличие от хрупких кремниевых пластин (обычно толщиной 150-200 мкм), перовскитные пленки могут быть нанесены на тонкие пластиковые подложки толщиной до 10 мкм, что дает гибкие солнечные элементы, которые весят всего 3-5 г на ватт. Эта гибкость позволяет интегрироваться в изогнутые поверхности - стены занавески, крыши автомобилей, крылья беспилотников и даже носимые ткани. Демонстрация 2024 года от KAIST показала гибкий перовскитный модуль с 18% эффективностью, который можно было бы свернуть и развернуть 1000 раз без потери производительности. Для интегрированных в здание приложений полупрозрачные перовскитные элементы (с использованием тонких металлических электродов или прозрачных проводящих оксидов) разрабатываются как эстетические энергосберегающие окна.

Тандем и многоканальные конфигурации

Настраиваемость перовскитного бандгапа (от ~1.2 эВ до ~2.3 эВ) делает их идеальными верхними ячейками в тандемных архитектурах с кремнием (бандгап ~1.1 эВ) или CIGS (бандгап ~1.0-1.7 эВ). Механически уложенные четырехконцевые тандемы позволяют проводить независимую оптимизацию каждой подячейки, в то время как двухконцевые монолитные тандемы требуют тщательного сопоставления тока. Недавние работы в тандеме технического университета Дании достигли 29,5% эффективности в монолитном перовскитном / кремниевом тандеме с использованием текстурированного кремниевого нижнего ячейки и конформного верхнего слоя перовскита, нанесенного лезвием. Помимо кремния, всеперовскитные тандемы (широкополосный верх + узкополосное дно) достигли 28% эффективности, с потенциалом для недорогих, всетонких модулей пленки, которые являются легкими и гибкими.

Основные вызовы коммерциализации

Несмотря на быстрый прогресс, необходимо преодолеть ряд технических и экономических препятствий, прежде чем перовскитная фотоэлектрика сможет получить широкое распространение на рынке.

Стабильность в реальных условиях

Перовскитные материалы деградируют при комбинированном нагревании, влажности, ультрафиолетовом свете и электрическом смещении. Например, йодид свинца метиламмония (MAPbI3) подвергается необратимому разложению при 85 °C в присутствии влаги, образуя PbI2 и летучий метиламин. Операционная стабильность оценивается с использованием стандарта 61215 Международной электротехнической комиссии (МЭК) для кремниевых модулей, но немногие модули перовскита прошли эти строгие испытания. Стратегии повышения стабильности включают композиционную инженерию (добавление цезия или катионов рубидия), пассивацию дефектов с органическими молекулами и использование гидрофобных барьеров и краевых герметиков - аналогично тем, которые используются в OLED - могут блокировать попадание влаги. Инициатива по обеспечению стабильности стекло-стекло и краевых герметиков - аналогична тем, которые используются в OLED - может блокировать влагу. NREL Perovskite Stability Initiative (FLT: 1)) отслеживает более 3000 сроков службы устройства, показывая, что лучшие

Экологические и медицинские проблемы

Наиболее эффективные перовскитные клетки содержат свинец, что вызывает проблемы токсичности для производства, установки и утилизации в конце срока службы. Свинец может выщелачиваться в почву и грунтовые воды, если панели сломаны или не перерабатываются должным образом. Исследователи изучают альтернативы без свинца, такие как перовскиты на основе олова (например, FASnI3), соединения на основе висмута или двойные перовскиты, такие как Cs2AgBiBr6. Однако перовскиты на основе олова страдают от быстрого окисления (Sn2 + → Sn4 +) и более низкой эффективности (~14% PCE). Клетки на основе олова более стабильны, но имеют синее смещение поглощения, ограничивая их эффективность до ~10%. Даже перовскиты на основе свинца могут быть сделаны более безопасными путем включения слоев секвестрирования свинца или путем переработки материалов в конце жизни. Стартапы, такие как Saule Technologies и Oxford PV, разрабатывают процессы переработки замкнутого цикла для восстановления свинца и других металлов.

Масштабируемость и производственная прибыль

Переход от малогабаритных лабораторных ячеек (0,1 см2) к модулям коммерческого размера (1 м2) вносит проблемы плотности дефектов и однородности, которые значительно снижают эффективность - «разрыв в масштабе» 5-10% абсолютных потерь. Покрытие от рулона на гибких подложках сталкивается с проблемами с контролем натяжения сети и зарождением дефектов. Осаждение паров обеспечивает лучшую однородность, но предполагает высокие капитальные затраты на вакуумное оборудование. Текущие пилотные линии достигают эффективности модулей 15-18% на участках 100-200 см2. Удельный вес (процент модулей, отвечающих спецификациям) по-прежнему ниже 90% по сравнению с >97% для кремния. Консорциум Perovskite PV Accelerator for Commercialization (PVAC) установил цели >20% эффективности модуля и >90% выхода к 2026 году.

Будущие направления и перспективы рынка

Будущее перовскитной фотоэлектрики будет зависеть от инноваций в материалах, производстве и системной интеграции.

Свинцово-свободные и стабильные альтернативные перовскиты

Интенсивные исследования сосредоточены на разработке композиций, не содержащих свинца, которые соответствуют производительности материалов на основе свинца. Сплавы тин-свинца (например, FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3) достигли эффективности > 23% в тандемах за счет сужения разреза до ~ 1,2 эВ. Двойные перовскиты с общей формулой A2B'B''X6, где B' является моновалентным катионом (Ag+) и B'' является трехвалентным катионом (Bi3+), показывают перспективы для стабильных нетоксичных клеток, но в настоящее время <5% эффективности. Другой путь - 2D перовскиты Ruddlesden-Popper, которые включают громоздкие органические катионы для формирования слоистой структуры с повышенной влагостойкостью; эффективность достигла 18% в ориентированных 2D-пленках.

Продвинутая инкапсуляция и тестирование надежности

Для обеспечения 25-летнего срока службы инкапсуляция должна блокировать скорость передачи водяного пара ниже 10-4 г/м2/сутки — сопоставимую с органической фотоэлектрикой. Исследователи разрабатывают неорганические барьерные слои (Al2O3, SiOx) ALD и органически-неорганические гибридные ламинаты. Комбинированное стресс-тестирование (свет, тепло, влажность, смещения) становится стандартом для ускорения механизмов отказа. Адаптация IEC 61215 для модулей перовскита (IEC TS 62827) включает в себя испытание на влажность тепла (85 ° C, 85% RH) и тепловой цикл. Ранние результаты показывают, что модули с краевыми герметиками и тонкопленочными барьерами могут проходить 1000-часовое влажное тепло, но выходят из строя во время комбинированного освещения и нагрева. Смягчение через УФ-фильтры и антиотражающие покрытия находится в стадии исследования.

Утверждение отрасли и прогнозы рынка

Несколько компаний объявили о пилотных производственных линиях: Oxford PV планирует начать объемное производство тандемных элементов на своем заводе в Бранденбурге в 2025 году, ориентируясь на годовую мощность 1 ГВт. Saule Technologies в Польше фокусируется на гибких, легких модулях для Интернета вещей (IoT) и внесетевых приложениях. Другие известные игроки включают CubicPV, Perovskia Solar и Swift Solar. Согласно отчету Института солнечной энергетики Фраунгофера за 2024 год, перовскитные модули могут достичь производственных затрат ниже $0,20 / Вт к 2030 году, снижая стоимость кремния на $0,25 / Вт. Прогнозируется, что глобальный рынок тонкопленочных фотоэлектрических элементов (включая перовскиты) вырастет до $15 млрд к 2030 году, что обусловлено BIPV, портативной электроникой и тандемными заводами коммунального масштаба.

Пути к производству Gigawatt-Scale

Масштабирование до уровней гигаватта требует инвестиций в автоматизированные линии слот-ди или испарения шириной > 1 метр в сочетании с встроенной метрологией (например, фотолюминесценция для обнаружения дефектов). Стоимость материалов-предшественников перовскита (особенно высокочистых FAI и PbI2) в настоящее время выше, чем кремниевое сырье, но цены будут падать с объемом. Замена дорогого транспортного слоя с отверстиями спиро-OMeTAD на недорогие альтернативы (например, NiOx или PTAA) также имеет решающее значение. Анализ жизненного цикла показывает, что модули перовскита могут иметь время окупаемости энергии менее 6 месяцев в солнечном климате по сравнению с 1-2 годами для кремния, благодаря более низкой воплощенной энергии в производстве.

Заключение

Перовскитная фотоэлектрическая технология продвинулась от лабораторного любопытства до серьезного претендента на солнечную энергию следующего поколения. С рекордной эффективностью, гибкими форм-факторами и потенциалом для недорогого производства перовскиты - особенно в тандеме с кремнием - предлагают четкий путь к снижению уравновешенной стоимости солнечной электроэнергии. Продолжение исследований стабильности, альтернатив без свинца и покрытия большой площади будет определять темпы коммерциализации. По мере того, как технологии производства созревают и данные о надежности накапливаются, перовскитные солнечные элементы готовы войти в мейнстрим, дополняя кремний и позволяя новые солнечные приложения, которые ранее были непрактичными.