태양광 산업에서 페로브스카이트는 최근 몇 년간 뜨거운 수요를 불러일으켰습니다.태양전지 분야에서 '최애'로 떠오른 이유는 독특한 조건 때문이다.칼슘티타늄 광석은 광전지 특성이 우수하고, 제조공정이 간단하며, 원료의 종류가 다양하고 함량이 풍부합니다.이 밖에도 페로브스카이트는 지상발전소, 항공, 건설, 웨어러블 발전장치 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
3월 21일, 닝더타임스는 '티타늄산칼슘 태양전지 및 그 제조방법과 전력장치' 특허를 신청했다.최근 몇 년 동안 국내 정책과 조치의 지원에 힘입어 칼슘-티타늄 광석 태양전지로 대표되는 칼슘-티타늄 광석 산업이 큰 발전을 이루었습니다.그렇다면 페로브스카이트는 무엇인가?페로브스카이트의 산업화는 어떻게 진행되고 있나요?아직도 어떤 어려움에 직면해 있나요?과학기술일보 기자가 관련 전문가를 인터뷰했다.
페로브스카이트는 칼슘도 티타늄도 아닙니다.
소위 페로브스카이트는 칼슘도 티타늄도 아니지만 분자식 ABX3을 사용하여 동일한 결정 구조를 갖는 "세라믹 산화물" 계열의 일반적인 용어입니다.A는 "큰 반경 양이온", B는 "금속 양이온", X는 "할로겐 음이온"을 나타냅니다.A는 "큰 반경 양이온", B는 "금속 양이온", X는 "할로겐 음이온"을 나타냅니다.이 세 가지 이온은 절연, 강유전성, 반강자성, 거대 자기 효과 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 원소의 배열이나 이들 사이의 거리 조정을 통해 많은 놀라운 물리적 특성을 나타낼 수 있습니다.
“물질의 원소 구성에 따라 페로브스카이트는 크게 복합 금속 산화물 페로브스카이트, 유기 하이브리드 페로브스카이트, 무기 할로겐화 페로브스카이트의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.”난카이대학교 전자정보광공학부 Luo Jingshan 교수는 현재 광전지에 사용되는 티탄산칼슘은 대개 후자의 두 가지라고 소개했습니다.
페로브스카이트는 육상발전소, 우주항공, 건설, 웨어러블 발전장치 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.그 중 태양광 분야는 페로브스카이트의 주요 응용분야이다.티탄산칼슘 구조는 설계성이 뛰어나고 광전지 성능이 매우 우수하며, 이는 최근 광전지 분야에서 인기 있는 연구 방향입니다.
페로브스카이트 산업화가 가속화되고 있으며, 국내 기업들이 레이아웃을 놓고 경쟁하고 있다.Hangzhou Fina Photoelectric Technology Co., Ltd.에서 처음 5,000개의 칼슘 티타늄 광석 모듈을 출하한 것으로 알려졌습니다.Renshuo Photovoltaic (Suzhou) Co., Ltd.는 또한 세계 최대 규모의 150MW 전체 칼슘 티타늄 광석 적층 파일럿 라인 건설을 가속화하고 있습니다.Kunshan GCL Photoelectric Materials Co. Ltd. 150MW 칼슘-티타늄 광석 광전지 모듈 생산 라인이 완성되어 2022년 12월에 가동에 들어갔으며 생산에 도달한 후 연간 생산량 가치는 3억 위안에 도달할 수 있습니다.
칼슘 티타늄 광석은 광전지 산업에서 분명한 이점을 가지고 있습니다.
태양광 산업에서 페로브스카이트는 최근 몇 년간 뜨거운 수요를 불러일으켰습니다.태양전지 분야에서 '최애'로 떠오른 이유는 그 특유의 조건 때문이다.
첫째, 페로브스카이트는 조정 가능한 밴드 갭, 높은 흡수 계수, 낮은 엑시톤 결합 에너지, 높은 캐리어 이동도, 높은 결함 내성 등과 같은 수많은 우수한 광전자 특성을 가지고 있습니다.둘째, 페로브스카이트의 제조 공정이 간단하고 반투명성, 초경량성, 초박형, 유연성 등을 얻을 수 있습니다. 마지막으로 페로브스카이트 원료는 널리 이용 가능하고 풍부합니다.”Luo Jingshan이 소개되었습니다.그리고 페로브스카이트를 제조하려면 상대적으로 낮은 순도의 원료가 필요합니다.
현재 PV 분야에서는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 태양전지로 나눌 수 있는 다수의 실리콘 기반 태양전지를 사용합니다.결정질 실리콘 셀의 이론적 광전 변환 극점은 29.4%이며 현재 실험실 환경은 최대 26.7%에 도달할 수 있으며 이는 변환 상한선에 매우 가깝습니다.기술 개선으로 인한 한계 이득도 점점 작아질 것으로 예상됩니다.이에 비해 페로브스카이트 셀의 광전지 변환 효율은 33%로 이론 극값이 더 높으며, 페로브스카이트 셀 2개를 상하로 쌓으면 이론 변환 효율은 45%에 달할 수 있다.
"효율성" 외에 또 다른 중요한 요소는 "비용"입니다.예를 들어 1세대 박막전지의 원가가 내려갈 수 없는 이유는 지구상의 희귀원소인 카드뮴과 갈륨의 매장량이 너무 적어 산업이 발달할수록 즉, 수요가 많을수록 생산 비용도 높아지며 주류 제품이 될 수 없었습니다.페로브스카이트의 원료는 지구상에 대량으로 유통되고 가격도 매우 저렴하다.
또한, 칼슘-티타늄 광석 배터리용 칼슘-티타늄 광석 코팅의 두께는 실리콘 웨이퍼 두께의 약 1/500인 수백 나노미터에 불과해 소재 수요가 매우 적다는 것을 의미한다.예를 들어, 현재 결정질 실리콘 셀용 실리콘 소재의 전 세계 수요는 연간 약 50만톤인데, 이를 모두 페로브스카이트 셀로 대체한다면 약 1,000톤 정도의 페로브스카이트만 필요할 것이다.
제조 비용 측면에서 결정질 실리콘 셀은 99.9999%까지 실리콘 정제가 필요하므로 실리콘을 섭씨 1400도까지 가열하고 액체로 녹인 다음 둥근 막대와 슬라이스로 끌어들인 다음 셀로 조립해야 하며 최소 4개의 공장과 2개의 공장이 있어야 합니다. 그 사이에 3일이 걸리고 에너지 소비가 더 많아집니다.반면, 페로브스카이트 전지를 생산하려면 페로브스카이트 염기액을 기판에 도포한 후 결정화를 기다리기만 하면 된다.전체 공정은 유리, 접착필름, 페로브스카이트, 화학재료만 포함하며 하나의 공장에서 완료할 수 있으며 전체 공정은 약 45분 정도 소요된다.
"페로브스카이트로 제조된 태양전지는 현 단계에서 25.7%에 달하는 뛰어난 광전 변환 효율을 가지며, 향후 전통적인 실리콘 기반 태양전지를 대체해 상용 주류가 될 수 있습니다."Luo Jingshan이 말했습니다.
산업화를 촉진하기 위해 해결해야 할 세 가지 주요 문제가 있습니다.
백운석의 산업화를 진전시키는 과정에서 사람들은 여전히 백운석의 장기 안정성, 대면적 준비 및 납의 독성이라는 세 가지 문제를 해결해야 합니다.
첫째, 페로브스카이트는 환경에 매우 민감하며, 온도, 습도, 빛, 회로 부하 등의 요인으로 인해 페로브스카이트가 분해되어 전지 효율이 저하될 수 있다.현재 대부분의 실험실 페로브스카이트 모듈은 광전지 제품에 대한 IEC 61215 국제 표준을 충족하지 못하고, 실리콘 태양전지의 수명도 10~20년에 도달하지 못하기 때문에 페로브스카이트의 가격은 여전히 전통적인 광전지 분야에서 유리하지 않습니다.또한, 페로브스카이트 및 그 소자의 열화 메커니즘은 매우 복잡하고, 현장에서 그 과정에 대한 명확한 이해가 없고, 통일된 정량적 표준이 없어 안정성 연구에 해를 끼치고 있다.
또 다른 주요 문제는 이를 어떻게 대규모로 준비할 것인가이다.현재 실험실에서 장치 최적화 연구를 수행할 때 사용되는 장치의 유효 광 영역은 일반적으로 1cm2 미만이며, 대형 부품의 상용 적용 단계에서는 실험실 준비 방법을 개선해야 합니다. 또는 교체되었습니다.현재 대면적 페로브스카이트 필름 제조에 적용 가능한 주요 방법은 용액법과 진공증착법이다.용액법에서는 전구체 용액의 농도와 비율, 용매의 종류, 보관 시간이 페로브스카이트 필름의 품질에 큰 영향을 미친다.진공 증발 방법은 페로브스카이트 필름의 우수한 품질과 제어 가능한 증착을 준비하지만 전구체와 기판 사이의 양호한 접촉을 달성하는 것은 다시 어렵습니다.또한 페로브스카이트 소자의 전하수송층도 대면적으로 준비해야 하기 때문에 산업생산에서는 각 층을 연속적으로 증착하는 생산라인을 구축해야 한다.전반적으로 페로브스카이트 박막의 대면적 제조 공정은 여전히 추가적인 최적화가 필요합니다.
마지막으로, 납의 독성도 우려되는 문제입니다.현재 고효율 페로브스카이트 장치의 노화 과정에서 페로브스카이트는 분해되어 유리 납 이온과 납 단량체를 생성하며, 이는 인체에 들어가면 건강에 유해합니다.
Luo Jingshan은 장치 패키징을 통해 안정성과 같은 문제를 해결할 수 있다고 믿습니다.“미래에 이 두 가지 문제가 해결된다면 성숙한 준비 과정도 있고, 페로브스카이트 장치를 반투명 유리로 만들거나 건물 표면에서 광전지 건물 통합을 달성하거나 항공우주 및 우주 산업을 위한 유연한 접이식 장치로 만들 수도 있습니다. 다른 분야에서도 물과 산소가 없는 우주 공간에서 페로브스카이트가 최대한의 역할을 하게 될 것입니다.”Luo Jingshan은 페로브스카이트의 미래에 대해 확신하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 4월 15일