太陽光発電業界では、ペロブスカイトの需要が近年高まっています。太陽電池の分野で「本命」に浮上した理由は、その特殊な条件によるものです。カルシウムチタン鉱石は、多くの優れた太陽光発電特性、簡単な製造プロセス、幅広い原料と豊富な含有量を備えています。さらに、ペロブスカイトは、地上発電所、航空、建設、ウェアラブル発電装置、その他多くの分野でも使用できます。
寧徳時報は3月21日、「チタン酸カルシウム太陽電池とその製造方法および電源装置」の特許を申請した。近年、国内の政策や施策の後押しもあり、カルシウムチタン鉱石太陽電池に代表されるカルシウムチタン鉱石産業は大きな発展を遂げています。では、ペロブスカイトとは何でしょうか？ペロブスカイトの工業化はどうなっているのでしょうか？まだどんな課題に直面しているのでしょうか？科技日報の記者が関係専門家にインタビューした。
ペロブスカイトはカルシウムでもチタンでもありません。
いわゆるペロブスカイトは、カルシウムでもチタンでもなく、同じ結晶構造を持ち、分子式ABX3を持つ「セラミック酸化物」の一種の総称です。 Aは「大半径カチオン」、Bは「金属カチオン」、Xは「ハロゲンアニオン」を表します。 Aは「大半径カチオン」、Bは「金属カチオン」、Xは「ハロゲンアニオン」を表します。これら 3 つのイオンは、さまざまな元素の配置やそれらの間の距離の調整によって、絶縁性、強誘電性、反強磁性、巨大磁気効果などを含む (ただしこれらに限定されない)、多くの驚くべき物理的特性を示すことができます。
「材料の元素組成に応じて、ペロブスカイトは、複合金属酸化物ペロブスカイト、有機ハイブリッドペロブスカイト、無機ハロゲン化ペロブスカイトの 3 つのカテゴリーに大別できます。」南開大学電子情報光工学部のルオ・ジンシャン教授は、現在太陽光発電に使用されているチタン酸カルシウムは通常後者の2つであると紹介した。
ペロブスカイトは、地上発電所、航空宇宙、建設、ウェアラブル発電装置などの多くの分野で使用できます。中でも、太陽光発電分野はペロブスカイトの主な応用分野です。チタン酸カルシウム構造は高度に設計可能であり、非常に優れた太陽光発電性能を備えており、これは太陽光発電分野で近年人気の研究方向となっています。
ペロブスカイトの工業化は加速しており、国内企業がレイアウトを競っている。最初の 5,000 個のカルシウムチタン鉱石モジュールが杭州 Fina 光電技術有限公司から出荷されたと報告されています。仁朔光電（蘇州）有限公司も、世界最大の150MWフルカルシウムチタン鉱石積層パイロットラインの建設を加速している。昆山GCL光電材料有限公司の150MWカルシウムチタン鉱石太陽光発電モジュール生産ラインが完成し、2022年12月に稼働し、生産到達後の年間生産額は3億元に達する可能性がある。
カルシウムチタン鉱石は太陽光発電産業において明らかな利点を持っています
太陽光発電業界では、ペロブスカイトの需要が近年高まっています。太陽電池の分野で「本命」に浮上した理由は、独自の条件による。
「第一に、ペロブスカイトは、調整可能なバンドギャップ、高い吸収係数、低い励起子結合エネルギー、高いキャリア移動度、高い欠陥耐性など、数多くの優れた光電子特性を備えています。第二に、ペロブスカイトの製造プロセスは簡単で、半透明、超軽量、超薄さ、柔軟性などを実現できます。最後に、ペロブスカイトの原料は広く入手可能で、豊富にあります。」羅京山さんが紹介してくれました。また、ペロブスカイトの調製には、比較的純度の低い原料も必要です。
現在、太陽光発電分野では、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン太陽電池に分けられるシリコン系太陽電池が多数使用されている。結晶シリコンセルの理論上の光電変換極は 29.4% であり、現在の実験室環境では最大 26.7% に達する可能性があり、これは変換の上限に非常に近い値です。技術向上による限界利益もますます小さくなることが予想されます。対照的に、ペロブスカイトセルの光電変換効率は理論的な極値が 33% と高く、2 つのペロブスカイトセルを上下に積層すると、理論上の変換効率は 45% に達します。
「効率」に加えて、もう一つ重要な要素が「コスト」です。例えば、第一世代の薄膜電池のコストが下がらないのは、地球上の希少元素であるカドミウムやガリウムの埋蔵量が少なすぎるためであり、その結果、産業が発展すればするほど、需要が多ければ多いほど生産コストが高くなり、主流の製品にはなり得ませんでした。ペロブスカイトの原料は地球上に大量に流通しており、価格も非常に安いです。
また、カルシウムチタン鉱石電池用のカルシウムチタン鉱石コーティングの厚さはわずか数百ナノメートルで、シリコンウェーハの約1/500であり、この材料の需要は非常に少ない。例えば、結晶シリコン電池のシリコン原料の現在の世界需要は年間約50万トンだが、そのすべてをペロブスカイト電池に置き換えると、ペロブスカイトは約1,000トンしか必要としない。
製造コストの観点から見ると、結晶シリコンセルはシリコンを99.9999%まで精製する必要があるため、シリコンを摂氏1400度に加熱し、液体に溶かし、丸棒やスライスに引き抜き、セルに組み立てる必要があり、少なくとも4つの工場と2つの工場が必要となる。間隔が 3 日になり、エネルギー消費量が増加します。これに対し、ペロブスカイトセルの作製では、ペロブスカイト基液を基板に塗布し、結晶化を待つだけで済みます。全工程に必要な材料はガラス、粘着フィルム、ペロブスカイト、化学材料のみで、1つの工場内で完了でき、全工程にかかる時間はわずか45分程度です。
「ペロブスカイトから作製された太陽電池は優れた光電変換効率を有しており、現段階で25.7%に達しており、将来的には従来のシリコンベースの太陽電池に代わって商業的な主流になる可能性があります。」羅京山氏は語った。
工業化を推進するには解決すべき3つの大きな問題がある
黄銅鉱の工業化を進める上で、依然として3つの問題、すなわち黄銅鉱の長期安定性、大面積の調製、鉛の毒性を解決する必要がある。
まず、ペロブスカイトは環境に非常に敏感であり、温度、湿度、光、回路負荷などの要因によってペロブスカイトが分解され、セル効率が低下する可能性があります。現在、ほとんどの実験室用ペロブスカイトモジュールは太陽光発電製品の国際規格 IEC 61215 を満たしておらず、シリコン太陽電池の 10 ～ 20 年の寿命にも達していないため、ペロブスカイトのコストは従来の太陽光発電分野では依然として有利ではありません。さらに、ペロブスカイトとそのデバイスの劣化メカニズムは非常に複雑であり、この分野ではプロセスがあまり明確に理解されておらず、統一された定量基準もないため、安定性の研究に悪影響を及ぼしています。
もう一つの大きな問題は、それらを大規模に準備する方法です。現在、デバイスの最適化研究が実験室で行われる場合、使用されるデバイスの有効光面積は通常 1 cm2 未満であり、大規模コンポーネントの商業応用段階になると、実験室での準備方法を改善する必要があります。または交換されました。大面積ペロブスカイト膜の作製に現在適用可能な主な方法は、溶液法と真空蒸着法です。溶液法では、前駆体溶液の濃度や割合、溶媒の種類、保存時間などがペロブスカイト膜の品質に大きく影響します。真空蒸着法は、高品質で制御可能なペロブスカイト膜の堆積を準備しますが、前駆体と基板の間に良好な接触を達成することはやはり困難です。また、ペロブスカイト素子の電荷輸送層も大面積に作製する必要があるため、工業生産においては各層を連続成膜する生産ラインの確立が必要となる。全体的に見て、ペロブスカイト薄膜の大面積作製プロセスはさらに最適化する必要があります。
最後に、鉛の毒性も懸念事項です。現在の高効率ペロブスカイトデバイスの経年劣化プロセス中に、ペロブスカイトは分解して遊離鉛イオンと鉛モノマーを生成しますが、これらが人体に入ると健康に有害となります。
Luo Jingshan 氏は、安定性などの問題はデバイスのパッケージ化によって解決できると考えています。 「将来、これら 2 つの問題が解決されれば、成熟した準備プロセスもあり、ペロブスカイト デバイスを半透明のガラスに製造したり、太陽光発電の建物統合を実現するために建物の表面に使用したり、航空宇宙産業向けの柔軟な折り畳み式デバイスを製造したりすることもできます。」水と酸素のない宇宙環境でペロブスカイトが最大限の役割を果たせるように、他の分野でも活用してください。」 Luo Jingshan 氏はペロブスカイトの将来に自信を持っています。
投稿日時: 2023 年 4 月 15 日