सोलर सेल ऍप्लिकेशनसाठी पेरोव्स्काइटचे फायदे आणि तोटे

फोटोव्होल्टेइक उद्योगात, अलिकडच्या वर्षांत पेरोव्स्काईटला गरम मागणी आहे. सौर पेशींच्या क्षेत्रात ते "आवडते" म्हणून उदयास येण्याचे कारण त्याच्या अद्वितीय परिस्थितीमुळे आहे. कॅल्शियम टायटॅनियम धातूमध्ये अनेक उत्कृष्ट फोटोव्होल्टेइक गुणधर्म, साधी तयारी प्रक्रिया आणि कच्च्या मालाची विस्तृत श्रेणी आणि मुबलक सामग्री आहे. याव्यतिरिक्त, पेरोव्स्काईटचा वापर ग्राउंड पॉवर प्लांट, विमानचालन, बांधकाम, वेअरेबल पॉवर जनरेशन डिव्हाइसेस आणि इतर अनेक क्षेत्रात देखील केला जाऊ शकतो.
21 मार्च रोजी, निंगडे टाइम्सने "कॅल्शियम टायटॅनाइट सोलर सेल आणि त्याची तयारी पद्धत आणि उर्जा उपकरण" च्या पेटंटसाठी अर्ज केला. अलिकडच्या वर्षांत, देशांतर्गत धोरणे आणि उपाययोजनांच्या समर्थनासह, कॅल्शियम-टायटॅनियम धातू उद्योगाने, कॅल्शियम-टायटॅनियम धातूच्या सौर पेशींनी प्रतिनिधित्व केले आहे, खूप प्रगती केली आहे. तर पेरोव्स्काइट म्हणजे काय? पेरोव्स्काइटचे औद्योगिकीकरण कसे आहे? अजूनही कोणती आव्हाने समोर आहेत? विज्ञान आणि तंत्रज्ञान दैनिकाच्या रिपोर्टरने संबंधित तज्ज्ञांची मुलाखत घेतली.

पेरोव्स्काइट कॅल्शियम किंवा टायटॅनियम नाही.

तथाकथित पेरोव्स्काईट्स हे कॅल्शियम किंवा टायटॅनियम दोन्ही नाहीत, परंतु ABX3 या आण्विक सूत्रासह समान क्रिस्टल स्ट्रक्चर असलेल्या “सिरेमिक ऑक्साईड्स” च्या वर्गासाठी एक सामान्य संज्ञा आहे. A चा अर्थ "मोठ्या त्रिज्या कॅशन", B साठी "मेटल कॅशन" आणि X म्हणजे "हॅलोजन आयनॉन" साठी. A चा अर्थ “लार्ज रेडियस कॅशन”, B चा अर्थ “मेटल कॅशन” आणि X म्हणजे “हॅलोजन आयन”. हे तीन आयन वेगवेगळ्या घटकांच्या व्यवस्थेद्वारे किंवा त्यांच्यातील अंतर समायोजित करून अनेक आश्चर्यकारक भौतिक गुणधर्म प्रदर्शित करू शकतात, ज्यामध्ये इन्सुलेशन, फेरोइलेक्ट्रिकिटी, अँटीफेरोमॅग्नेटिझम, विशाल चुंबकीय प्रभाव इत्यादींचा समावेश आहे परंतु इतकेच मर्यादित नाही.
"सामग्रीच्या मूलभूत रचनेनुसार, पेरोव्स्काईट्सचे ढोबळमानाने तीन श्रेणींमध्ये विभाजन केले जाऊ शकते: कॉम्प्लेक्स मेटल ऑक्साईड पेरोव्स्काइट्स, ऑर्गेनिक हायब्रिड पेरोव्स्काइट्स आणि अकार्बनिक हॅलोजनेटेड पेरोव्स्काइट्स." नानकाई युनिव्हर्सिटी स्कूल ऑफ इलेक्ट्रॉनिक इन्फॉर्मेशन अँड ऑप्टिकल इंजिनीअरिंगचे प्राध्यापक लुओ जिंगशान यांनी ओळख करून दिली की आता फोटोव्होल्टाइक्समध्ये वापरल्या जाणाऱ्या कॅल्शियम टायटॅनाइट्स सहसा नंतरचे दोन असतात.
पेरोव्स्काईटचा वापर स्थलीय उर्जा संयंत्रे, एरोस्पेस, बांधकाम आणि घालण्यायोग्य उर्जा निर्मिती उपकरणे यासारख्या अनेक क्षेत्रात केला जाऊ शकतो. त्यापैकी, फोटोव्होल्टेइक फील्ड पेरोव्स्काइटचे मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्र आहे. कॅल्शियम टायटॅनाइट संरचना अत्यंत डिझाइन करण्यायोग्य आहेत आणि खूप चांगले फोटोव्होल्टेईक कार्यप्रदर्शन आहे, जे अलीकडील वर्षांमध्ये फोटोव्होल्टेइक क्षेत्रातील लोकप्रिय संशोधन दिशा आहे.
पेरोव्स्काईटचे औद्योगिकीकरण वेगवान होत आहे आणि घरगुती उद्योग लेआउटसाठी स्पर्धा करत आहेत. असे नोंदवले गेले आहे की कॅल्शियम टायटॅनियम धातूचे पहिले 5,000 तुकडे Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd कडून पाठवले गेले आहेत; Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd. जगातील सर्वात मोठ्या 150 MW पूर्ण कॅल्शियम टायटॅनियम अयस्क लॅमिनेटेड पायलट लाइनच्या बांधकामाला गती देत ​​आहे; Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. 150 MW ची कॅल्शियम-टायटॅनियम अयस्क फोटोव्होल्टेइक मॉड्युल उत्पादन लाइन पूर्ण झाली आहे आणि डिसेंबर 2022 मध्ये कार्यान्वित केली गेली आहे आणि उत्पादनापर्यंत पोहोचल्यानंतर वार्षिक उत्पादन मूल्य 300 दशलक्ष युआनपर्यंत पोहोचू शकते.

फोटोव्होल्टेइक उद्योगात कॅल्शियम टायटॅनियम धातूचे स्पष्ट फायदे आहेत

फोटोव्होल्टेइक उद्योगात, अलिकडच्या वर्षांत पेरोव्स्काईटला गरम मागणी आहे. सौर पेशींच्या क्षेत्रात ते "आवडते" म्हणून उदयास येण्याचे कारण त्याच्या स्वतःच्या अद्वितीय परिस्थितीमुळे आहे.
“प्रथम, पेरोव्स्काइटमध्ये अनेक उत्कृष्ट ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म आहेत, जसे की समायोज्य बँड अंतर, उच्च शोषण गुणांक, कमी एक्सिटॉन बंधनकारक ऊर्जा, उच्च वाहक गतिशीलता, उच्च दोष सहिष्णुता इ.; दुसरे म्हणजे, पेरोव्स्काईट तयार करण्याची प्रक्रिया सोपी आहे आणि पारदर्शकता, अति-हलकापणा, अति-पातळपणा, लवचिकता इ. साध्य करू शकते. शेवटी, पेरोव्स्काइट कच्चा माल मोठ्या प्रमाणावर उपलब्ध आणि मुबलक आहे.” लुओ जिंगशान यांनी ओळख करून दिली. आणि पेरोव्स्काईट तयार करण्यासाठी कच्च्या मालाची तुलनेने कमी शुद्धता देखील आवश्यक आहे.
सध्या, पीव्ही फील्डमध्ये मोठ्या प्रमाणात सिलिकॉन-आधारित सौर पेशी वापरल्या जातात, ज्या मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन आणि आकारहीन सिलिकॉन सौर पेशींमध्ये विभागल्या जाऊ शकतात. क्रिस्टलीय सिलिकॉन पेशींचे सैद्धांतिक फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण ध्रुव 29.4% आहे आणि वर्तमान प्रयोगशाळेचे वातावरण कमाल 26.7% पर्यंत पोहोचू शकते, जे रूपांतरणाच्या कमाल मर्यादेच्या अगदी जवळ आहे; तांत्रिक सुधारणांचा किरकोळ नफाही कमी-अधिक होत जाईल हे अगत्याचे आहे. याउलट, पेरोव्स्काईट पेशींच्या फोटोव्होल्टेइक रूपांतरण कार्यक्षमतेमध्ये 33% ची उच्च सैद्धांतिक ध्रुव मूल्य असते आणि जर दोन पेरोव्स्काईट पेशी एकत्र वर आणि खाली स्टॅक केल्या जातात, तर सैद्धांतिक रूपांतरण कार्यक्षमता 45% पर्यंत पोहोचू शकते.
"कार्यक्षमते" व्यतिरिक्त, आणखी एक महत्त्वाचा घटक म्हणजे "किंमत". उदाहरणार्थ, पातळ फिल्म बॅटरीच्या पहिल्या पिढीची किंमत कमी का होऊ शकत नाही याचे कारण म्हणजे पृथ्वीवरील दुर्मिळ घटक असलेल्या कॅडमियम आणि गॅलियमचे साठे खूपच लहान आहेत आणि परिणामी, उद्योग अधिक विकसित झाला. आहे, मागणी जितकी जास्त, तितका उत्पादन खर्च जास्त आणि ते कधीही मुख्य प्रवाहातील उत्पादन बनू शकले नाही. पेरोव्स्काइटचा कच्चा माल पृथ्वीवर मोठ्या प्रमाणात वितरीत केला जातो आणि किंमत देखील खूप स्वस्त आहे.
याव्यतिरिक्त, कॅल्शियम-टायटॅनियम धातूच्या बॅटरीसाठी कॅल्शियम-टायटॅनियम धातूच्या कोटिंगची जाडी केवळ काही शंभर नॅनोमीटर आहे, सिलिकॉन वेफर्सच्या सुमारे 1/500 वा, म्हणजे सामग्रीची मागणी फारच कमी आहे. उदाहरणार्थ, क्रिस्टलीय सिलिकॉन पेशींसाठी सिलिकॉन सामग्रीची सध्याची जागतिक मागणी सुमारे 500,000 टन प्रति वर्ष आहे आणि जर ती सर्व पेरोव्स्काईट पेशींनी बदलली तर फक्त 1,000 टन पेरोव्स्काईटची आवश्यकता असेल.
उत्पादन खर्चाच्या बाबतीत, क्रिस्टलीय सिलिकॉन पेशींना 99.9999% पर्यंत सिलिकॉन शुद्धीकरण आवश्यक आहे, म्हणून सिलिकॉन 1400 अंश सेल्सिअस पर्यंत गरम केले पाहिजे, द्रव मध्ये वितळले गेले पाहिजे, गोल रॉड्स आणि स्लाइसमध्ये काढले गेले आणि नंतर सेलमध्ये एकत्र केले गेले, कमीतकमी चार कारखाने आणि दोन कारखाने. दरम्यान तीन दिवस, आणि जास्त ऊर्जा वापर. याउलट, पेरोव्स्काइट पेशींच्या निर्मितीसाठी, पेरोव्स्काइट बेस द्रव सब्सट्रेटवर लागू करणे आणि नंतर क्रिस्टलायझेशनची प्रतीक्षा करणे आवश्यक आहे. संपूर्ण प्रक्रियेमध्ये फक्त काच, चिकट फिल्म, पेरोव्स्काईट आणि रासायनिक पदार्थांचा समावेश असतो आणि एका कारखान्यात पूर्ण करता येतो आणि संपूर्ण प्रक्रियेला फक्त 45 मिनिटे लागतात.
"पेरोव्स्काईटपासून तयार केलेल्या सौर पेशींमध्ये उत्कृष्ट फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण कार्यक्षमता आहे, जी या टप्प्यावर 25.7% पर्यंत पोहोचली आहे आणि भविष्यात व्यावसायिक मुख्य प्रवाहात येण्यासाठी पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित सौर पेशींची जागा घेऊ शकतात." लुओ जिंगशान म्हणाले.
औद्योगिकीकरणाला चालना देण्यासाठी तीन प्रमुख समस्या सोडविण्याची गरज आहे

चॅल्कोसाइटच्या औद्योगिकीकरणाला पुढे नेण्यासाठी, लोकांना अजूनही 3 समस्या सोडवणे आवश्यक आहे, ते म्हणजे चाल्कोसाइटची दीर्घकालीन स्थिरता, मोठ्या क्षेत्राची तयारी आणि शिशाची विषारीता.
प्रथम, पेरोव्स्काईट पर्यावरणासाठी अतिशय संवेदनशील आहे आणि तापमान, आर्द्रता, प्रकाश आणि सर्किट लोड यासारख्या घटकांमुळे पेरोव्स्काइटचे विघटन आणि सेल कार्यक्षमता कमी होऊ शकते. सध्या बहुतेक प्रयोगशाळा पेरोव्स्काईट मॉड्यूल्स फोटोव्होल्टेइक उत्पादनांसाठी IEC 61215 आंतरराष्ट्रीय मानकांची पूर्तता करत नाहीत किंवा ते सिलिकॉन सोलर सेलच्या 10-20 वर्षांच्या आयुष्यापर्यंत पोहोचत नाहीत, त्यामुळे पारंपारिक फोटोव्होल्टेइक क्षेत्रात पेरोव्स्काइटची किंमत अजूनही फायदेशीर नाही. याव्यतिरिक्त, पेरोव्स्काईट आणि त्याच्या उपकरणांची अधोगती यंत्रणा खूप गुंतागुंतीची आहे आणि या क्षेत्रातील प्रक्रियेची कोणतीही स्पष्ट समज नाही, तसेच एक एकीकृत परिमाणात्मक मानक देखील नाही, जे स्थिरता संशोधनासाठी हानिकारक आहे.
त्यांना मोठ्या प्रमाणावर कसे तयार करायचे हा आणखी एक महत्त्वाचा मुद्दा आहे. सध्या, जेव्हा प्रयोगशाळेत उपकरण ऑप्टिमायझेशन अभ्यास केले जातात, तेव्हा वापरल्या जाणाऱ्या उपकरणांचे प्रभावी प्रकाश क्षेत्र सामान्यतः 1 सेमी 2 पेक्षा कमी असते आणि जेव्हा मोठ्या प्रमाणातील घटकांच्या व्यावसायिक वापराच्या टप्प्यावर येतो तेव्हा प्रयोगशाळेच्या तयारीच्या पद्धती सुधारणे आवश्यक असते. किंवा बदलले. मोठ्या क्षेत्रावरील पेरोव्स्काईट फिल्म्स तयार करण्यासाठी सध्या लागू असलेल्या मुख्य पद्धती म्हणजे सोल्यूशन पद्धत आणि व्हॅक्यूम बाष्पीभवन पद्धत. सोल्यूशन पद्धतीमध्ये, पूर्ववर्ती द्रावणाची एकाग्रता आणि गुणोत्तर, सॉल्व्हेंटचा प्रकार आणि स्टोरेज वेळ यांचा पेरोव्स्काईट चित्रपटांच्या गुणवत्तेवर मोठा प्रभाव पडतो. व्हॅक्यूम बाष्पीभवन पद्धत पेरोव्स्काईट फिल्म्सची चांगली गुणवत्ता आणि नियंत्रण करण्यायोग्य डिपॉझिशन तयार करते, परंतु पूर्ववर्ती आणि सब्सट्रेट यांच्यात चांगला संपर्क साधणे पुन्हा कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, पेरोव्स्काईट यंत्राचा चार्ज ट्रान्सपोर्ट लेयर देखील मोठ्या क्षेत्रात तयार करणे आवश्यक आहे, औद्योगिक उत्पादनामध्ये प्रत्येक लेयरच्या सतत ठेवीसह उत्पादन लाइन स्थापित करणे आवश्यक आहे. एकंदरीत, पेरोव्स्काईट पातळ फिल्म्सच्या मोठ्या-क्षेत्राच्या तयारीच्या प्रक्रियेस अजून ऑप्टिमायझेशन आवश्यक आहे.
शेवटी, शिशाची विषारीता देखील चिंतेचा मुद्दा आहे. सध्याच्या उच्च-कार्यक्षमतेच्या पेरोव्स्काईट उपकरणांच्या वृद्धत्वाच्या प्रक्रियेदरम्यान, पेरोव्स्काइट मुक्त लीड आयन आणि लीड मोनोमर्स तयार करण्यासाठी विघटित होईल, जे मानवी शरीरात प्रवेश केल्यावर आरोग्यासाठी घातक ठरेल.
लुओ जिंगशान यांचा विश्वास आहे की डिव्हाइस पॅकेजिंगद्वारे स्थिरतेसारख्या समस्यांचे निराकरण केले जाऊ शकते. भविष्यात, या दोन समस्यांचे निराकरण झाल्यास, एक परिपक्व तयारी प्रक्रिया देखील आहे, पेरोव्हस्काईट उपकरणे अर्धपारदर्शक काचेमध्ये देखील बनवू शकतात किंवा फोटोव्होल्टेइक बिल्डिंग एकीकरण साध्य करण्यासाठी इमारतींच्या पृष्ठभागावर करू शकतात किंवा एरोस्पेससाठी लवचिक फोल्ड करण्यायोग्य उपकरणे बनवू शकतात. इतर फील्ड, जेणेकरून पाणी आणि ऑक्सिजन वातावरणाशिवाय अंतराळातील पेरोव्स्काईट जास्तीत जास्त भूमिका बजावू शकेल. लुओ जिंगशानला पेरोव्स्काईटच्या भविष्याबद्दल खात्री आहे.