21.7٪! طريقة جديدة تعيد تشكيل عملية تصنيع الخلايا الشمسية البيروفسكايت

استخدم الباحثون الطباعة بالطلاء والترسيب بالفراغ وتقنيات أخرى لتحقيق إعداد وحدات فلطائية ضوئية ترادفية من جميع البيروفسكايت بمساحة كبيرة لأول مرة في العالم ، مما فتح طريقة جديدة للإنتاج الضخم وتسويق خلايا بيروفسكايت الترادفية ذات المساحة الكبيرة . طريق. معتمدة من قبل منظمة اختبار دولية موثوقة من طرف ثالث ، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئي المستقرة لهذه الوحدة تصل إلى 21.7 في المائة ، وهي أعلى كفاءة في العالم للوحدات الكهروضوئية المعروفة من البيروفسكايت.

يمكن للخلايا الشمسية تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى كهرباء ، وهي طريقة مهمة للحصول على طاقة نظيفة.

تعتمد تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية على كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية. أظهرت الدراسات أنه مقابل كل زيادة بنسبة 1 في المائة في كفاءة التحويل ، يمكن تقليل تكلفة توليد الطاقة بنسبة 7 في المائة ، لكن كفاءة التحويل الكهروضوئي لخلايا السيليكون الشمسية البلورية تواجه حاليًا اختناقات في التنمية. سيوفر مفتاح الوصول إلى الإنترنت أيضًا دعمًا علميًا وتكنولوجيًا مهمًا لتحقيق هدف "الكربون المزدوج".

في الآونة الأخيرة ، استخدمت المجموعة البحثية للبروفيسور تان هيرن من كلية الهندسة الحديثة والعلوم التطبيقية بجامعة نانجينغ والعلماء من جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة طباعة الطلاء والترسيب بالفراغ وتقنيات أخرى لتحقيق إعداد مساحة كبيرة للجميع وحدات كهروضوئية مكدسة بالبيروفسكايت لأول مرة في العالم. مسار جديد للإنتاج الضخم والتسويق للخلايا الترادفية البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة.

معتمدة من قبل منظمة اختبار دولية موثوقة من طرف ثالث ، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئي المستقرة لهذه الوحدة تصل إلى 21.7 في المائة ، وهي أعلى كفاءة في العالم للوحدات الكهروضوئية المعروفة من البيروفسكايت. تم تضمين هذا الإنجاز في العدد الأخير من "Solar Battery World Records" ، وتم نشر النتائج ذات الصلة مؤخرًا في المجلة الأكاديمية الدولية الموثوقة "Science".

انخفاض تكلفة الإنتاج وتوفير المزيد من الطاقة

يعد تطوير توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية النظيفة ومنخفضة التكلفة طريقة مهمة وضمانة تقنية لتحقيق ذروة الكربون وحيادية الكربون. في الربع الأول من عام 2022 ، بلغ توليد الطاقة الكهروضوئية في بلدي 84.1 مليار كيلوواط ساعة ، بزيادة سنوية قدرها 22.2 في المائة.

"ومع ذلك ، مع تطور التكنولوجيا ، واجهت الخلايا الشمسية أحادية الوصلة البلورية التقليدية أيضًا عقبتين من اختناقات التطوير. أولاً ، اقتربت قدرة الإنتاج الصناعي الحالية من الحد الأقصى لكفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية أحادية الوصلة البلورية ؛ وثانيًا ، التكلفة ارتفاع استهلاك الطاقة والطاقة ، تتطلب عملية تكرير رمل الكوارتز إلى سيليكون صناعي وصنع السيليكون أحادي البلورية درجة حرارة عالية تزيد عن 1000 درجة ، بينما يتطلب تحضير خلايا البيروفسكايت الشمسية حوالي 100 درجة ". بصفته المؤلف المقابل لهذه الدراسة ، قال تان هيرن بصراحة أن خلايا البيروفسكايت الشمسية ذات تكاليف الإنتاج المنخفضة وتوفير المزيد من الطاقة تعتبر فرصًا جديدة لتطوير الصناعة الكهروضوئية في السنوات الأخيرة ، والتحسين الهيكلي والابتكار التكنولوجي لترادف البيروفسكايت. ستعمل الخلايا على تسريع الصناعة الكهروضوئية لتحقيق التآزر في خفض التكلفة.

في السابق ، اقترحت مجموعة البحث التابعة لـ Tan Hairen بنية نفق جديدة ، والتي اخترقت مشكلة تحضير جميع مكدسات البيروفسكايت ، وطوّرت طريقة جديدة لتعزيز تخميل العيوب على سطح حبيبات البيروفسكايت ، وخلقت التحويل الكهروضوئي لكل البيروفسكايت. مداخن. تجاوزت الكفاءة القياسية العالمية البالغة 26.4 في المائة أعلى كفاءة معتمدة لخلايا البيروفسكايت أحادية الوصلة للمرة الأولى في العالم. تم نشر النتائج ذات الصلة في مجلات أكاديمية دولية موثوقة مثل Nature.

"على الرغم من أن خلايا البيروفسكايت ذات المساحة الصغيرة في المختبر قد حققت كفاءة تحويل عالية ، إلا أن تسويق كتل الخلايا الكهروضوئية البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة لا يزال يواجه العديد من التحديات." لم ينف تان هيرن أنه على الرغم من أن الأبحاث السابقة قد أنتجت 1 ، فإن بطارية البيروفسكايت الترادفية عالية الكفاءة تبلغ حوالي سنتيمترات مربعة ، إلا أن طريقة التحضير ذات الإنتاج الضخم والاستقرار طويل المدى لهيكل التوصيل البيني في كتلة البطارية هي الاختناقات الرئيسية أمام تحقيق التصنيع.

تسمح التقنيات المتعددة للمادة بتكوين فيلم موحد

لتحقيق الإنتاج الضخم ، من الضروري أولاً حل مشكلة المساحة الكبيرة والتحضير الموحد لأفلام البيروفسكايت ذات فجوة الحزمة العريضة.

"يحتوي البيروفسكايت ذو فجوة النطاق العريض على مكونات عالية من البروميد ، وقابلية ذوبانه منخفضة ، ومساحة اختيار المذيبات صغيرة ، والتحكم في التبلور ليس سهلاً ، ومن الصعب الحصول على أغشية عالية الجودة وموحدة وكثيفة. بحث دولي حول إنتاجه بكميات كبيرة تقنية التحضير فارغة تقريبًا ". وأشار تان هيرن.

استجابةً للتحديات المذكورة أعلاه ، اقترح فريق البحث لأول مرة مخططًا لإعداد بطارية ترادفية من نوع all-perovskite. لقد استخدموا طباعة الطلاء والترسيب بالفراغ وتقنيات التحضير الأخرى لتحل محل عملية تشكيل غشاء الطلاء بالدوران المستخدمة بشكل شائع في المختبر ، وأعدوا بطارية ترادفية تبلغ مساحتها 20 سنتيمترًا مربعًا من البيروفسكايت.

"في السابق ، استخدمنا عملية طلاء بالدوران ، أي ، أولاً تطبيق محلول البيروفسكايت على الركيزة الزجاجية ، ثم استخدم الآلة لدفع الركيزة الزجاجية بأكملها بسرعة لتدويرها ، واستخدام قوة الطرد المركزي لتوزيع المحلول على الركيزة تشكل طبقة رقيقة ، ولكن هذه الطريقة ستدور بالإضافة إلى ذلك ، آلة طلاء الدوران تدور بسرعة كبيرة ، لذلك من الصعب تشغيل طبقة زجاجية كبيرة للدوران ، مما يحدد أنها غير مناسبة للإنتاج الضخم لخلايا البيروفسكايت الشمسية. " قال تان هيرن.

من أجل السماح لمحلول البيروفسكايت بتكوين فيلم موحد على مساحة كبيرة ، استخدم فريق البحث أولاً عملية طلاء شفرة الطبيب. أوضح تان هيرن أنهم أسقطوا المحلول على زجاج موصل شفاف ، ثم كشطوه للأمام بشفرة ، مما شكل فيلمًا رطبًا موحدًا على سطح الزجاج. وبهذه الطريقة ، أكملوا طبقة نقل الثقوب ، وتنظيف طبقة التيتانيوم بالفرشاة ، ثم تحضير طبقة نقل الإلكترون وهيكل الأنفاق عن طريق الترسيب الفراغي لحماية الطبقة الأولى من البيروفسكايت ، ثم طلاء طبقة نقل الفتحة والطبقة الثانية من البيروفسكايت. ، وتبخر طبقة نقل الإلكترون بالتبخير بعد الأقطاب الكهربائية والمعدنية ، يكون إطار كتلة الخلية الشمسية من البيروفسكايت "خارج الفرن" مثل اللبنات الأساسية.

لا يكفي بناء "منزل" ، بل يجب أن يكون متناسقًا وقويًا أيضًا. قال تان هيرن إنه عندما تم تحضير مجموعة بطارية البيروفسكايت الترادفية في البداية ، كان الفيلم لا يزال غير متساوٍ بسبب وقت التبلور الطويل للمحلول. "لاحقًا ، اعتقدت أنه إذا كان من الممكن أن يكون مثل ورق الطباعة ، فسوف يجف الحبر فورًا بعد الطباعة ، مما قد يؤدي إلى تحسين جودة الفيلم وإنتاجيته".

بهدف صعوبة التحكم في تبلور البيروفسكايت ذي فجوة الحزمة العريضة في عملية الطلاء ، بعد عدة محاولات ، قام الفريق بزيادة محتوى السيزيوم في الكاتيون A-site في مكون البيروفسكايت إلى 35 بالمائة ، وتم دمجه مع طريقة طلاء الشفرة لـ التبلور بمساعدة الهواء لتسريع المحلول بعد التطاير ، تم أخيرًا الحصول على فيلم بيروفسكايت ذو فجوة عريضة ومسطحة وكثيفة مع أفضل درجة تبلور ، مما وضع الأساس للإنتاج الضخم للمكونات المكدسة من البيروفسكايت.

لماذا أصبح السيزيوم "ابن السماء" لصنع البطاريات بسرعة وثبات؟ قدم تان هيرن: "السيزيوم هو أيون غير عضوي ولا يتطاير بسهولة. وسوف يحسن الثبات الحراري للجهاز ، ويقلل من إجهاد الشبكة ، ويحسن الثبات الضوئي للجهاز ، ويقلل حاجز التبلور ، ويسرع معدل التنوي. جهاز."

تجنب المواد المختلفة "التي تضر" بعضها البعض

"من الناحية النظرية ، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئي لخلية البيروفسكايت الشمسية الحالية أحادية الطبقة هي 33 بالمائة فقط على أعلى مستوى ، بينما يمكن أن يصل هيكل الطبقة المزدوجة إلى 45 بالمائة. وكلما زادت كفاءة توليد الطاقة ، انخفضت التكلفة." بحث معمق طويل المدى ، دع تان هيرن يكتشف أنه من أجل تحقيق قفزة من "واحد إلى اثنين" في البنية الداخلية لخلايا البيروفسكايت ، يجب علينا أيضًا التفكير في كيفية "التعايش بانسجام" بين مواد الجهاز.

"في الوحدة الكهروضوئية الترادفية من البيروفسكايت ، يوجد هيكل ربط معقد في منطقة الاتصال لكل خليتين فرعيتين. نظرًا للتلامس المباشر بين طبقة امتصاص الضوء من البيروفسكايت والقطب الكهربائي الخلفي في منطقة التوصيل البيني ، فإن أيونات الهالوجين في البيروفسكايت ، سيؤدي التداخل مع المعدن الموجود في القطب الكهربائي إلى تآكل المادة المعدنية وانخفاض الخواص الكهربائية لمادة البيروفسكايت ، مما سيؤثر على كفاءة التحويل الكهروضوئي لكتلة البطارية ". قال تان هيرن ، من أجل التغلب على هذه المشكلة ، استخدم الفريق طبقة امتصاص الضوء من البيروفسكايت والمعدن الخلفي. بين الأقطاب الكهربائية ، تم تحضير طبقة من طبقة نقل إلكترون ثنائي أكسيد القصدير عن طريق ترسيب الطبقة الذرية.

"ثاني أكسيد القصدير مادة شبه موصلة يمكن زراعتها في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة ولديها موصلية كهربائية جيدة. ولا تؤثر على التلامس الأومي بين القطب المعدني في منطقة التوصيل وقطب أكسيد موصل شفاف على السطح الأمامي. في نفس الوقت ، طبقة نقل الإلكترون لثاني أكسيد القصدير يمكن ترسيبها بشكل مطابق في المناطق المترابطة بين الخلايا الفرعية ، مما يمنع الاتصال المباشر بين البيروفسكايت والمعدن.كطبقة نقل الإلكترون في المنطقة النشطة للخلية ، فإنها تمنع أيضًا الأكسدة من البيروفسكايت ضيق النطاق عن طريق الهواء ، وتحقيق الغلاف الجوي ، وإعداد واختبار وتعبئة المكونات في ظل ظروف التشغيل. وأوضح تان هيرن.

يعمل تصميم هيكل الوحدة المبتكر هذا على تحسين قابلية تكرار التصنيع والأداء الكهروضوئي واستقرار الوحدة بشكل كبير. وفقًا لما حدده مختبر اليابان للسلامة الكهربائية والتكنولوجيا البيئية ، تبلغ كفاءة التحويل الكهروضوئي لكتلة الخلايا الشمسية الترادفية المكونة من البيروفسكايت 21.7 بالمائة ، وهي أعلى كفاءة في العالم تم الإبلاغ عنها للوحدات الكهروضوئية من البيروفسكايت. تم تضمين "جدول الرقم القياسي العالمي للبطارية الشمسية".

ألهمت الإمكانات التي أظهرتها الوحدات الكهروضوئية الترادفية البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة الفريق ليكون لديه روح قتالية أكبر. قال تان هيرن إنه إذا أردنا تعزيز تصنيع هذه التكنولوجيا ، فيجب علينا إجراء المزيد من البحث والتطوير في عملية طباعة وإعداد البيروفسكايت. يعد تحضير 20 سم مربعًا من الحبر أمرًا بسيطًا نسبيًا ، ولكن إذا تم توسيعه إلى متر مربع واحد ، ما هي الشروط الفنية التي تحتاج إلى الابتكار ، فلا يزال يحتاج إلى التحقق المستمر.