सौर सेल अनुप्रयोगों के लिए पेरोव्स्काइट के फायदे और नुकसान

फोटोवोल्टिक उद्योग में, हाल के वर्षों में पेरोव्स्काइट की अत्यधिक मांग रही है। सौर कोशिकाओं के क्षेत्र में इसके "पसंदीदा" के रूप में उभरने का कारण इसकी अनूठी स्थितियाँ हैं। कैल्शियम टाइटेनियम अयस्क में कई उत्कृष्ट फोटोवोल्टिक गुण, सरल तैयारी प्रक्रिया और कच्चे माल की एक विस्तृत श्रृंखला और प्रचुर सामग्री है। इसके अलावा, पेरोव्स्काइट का उपयोग जमीनी बिजली संयंत्रों, विमानन, निर्माण, पहनने योग्य बिजली उत्पादन उपकरणों और कई अन्य क्षेत्रों में भी किया जा सकता है।
21 मार्च को, निंग्डे टाइम्स ने "कैल्शियम टाइटैनाइट सोलर सेल और इसकी तैयारी विधि और पावर डिवाइस" के पेटेंट के लिए आवेदन किया। हाल के वर्षों में, घरेलू नीतियों और उपायों के समर्थन से, कैल्शियम-टाइटेनियम अयस्क उद्योग, जिसका प्रतिनिधित्व कैल्शियम-टाइटेनियम अयस्क सौर कोशिकाओं द्वारा किया जाता है, ने काफी प्रगति की है। तो पेरोव्स्काइट क्या है? पेरोव्स्काइट का औद्योगीकरण कैसा है? अभी भी किन चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है? विज्ञान और प्रौद्योगिकी दैनिक रिपोर्टर ने संबंधित विशेषज्ञों का साक्षात्कार लिया।

पेरोव्स्काइट न तो कैल्शियम है और न ही टाइटेनियम।

तथाकथित पेरोव्स्काइट न तो कैल्शियम और न ही टाइटेनियम हैं, बल्कि आणविक सूत्र ABX3 के साथ समान क्रिस्टल संरचना वाले "सिरेमिक ऑक्साइड" के एक वर्ग के लिए एक सामान्य शब्द हैं। A का अर्थ है "बड़ा त्रिज्या धनायन", B का अर्थ है "धातु धनायन" और X का अर्थ है "हैलोजन आयन"। A का अर्थ है "बड़े त्रिज्या धनायन", B का अर्थ है "धातु धनायन" और X का अर्थ है "हैलोजन आयन"। ये तीन आयन विभिन्न तत्वों की व्यवस्था के माध्यम से या उनके बीच की दूरी को समायोजित करके कई अद्भुत भौतिक गुण प्रदर्शित कर सकते हैं, जिनमें इन्सुलेशन, फेरोइलेक्ट्रिसिटी, एंटीफेरोमैग्नेटिज्म, विशाल चुंबकीय प्रभाव आदि शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं।
"सामग्री की मौलिक संरचना के अनुसार, पेरोव्स्काइट्स को मोटे तौर पर तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: जटिल धातु ऑक्साइड पेरोव्स्काइट्स, कार्बनिक संकर पेरोव्स्काइट्स, और अकार्बनिक हैलोजेनेटेड पेरोव्स्काइट्स।" नानकाई यूनिवर्सिटी के स्कूल ऑफ इलेक्ट्रॉनिक इंफॉर्मेशन एंड ऑप्टिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर लुओ जिंगशान ने बताया कि अब फोटोवोल्टिक्स में उपयोग किए जाने वाले कैल्शियम टाइटेनाइट्स आमतौर पर बाद वाले दो होते हैं।
पेरोव्स्काइट का उपयोग स्थलीय बिजली संयंत्रों, एयरोस्पेस, निर्माण और पहनने योग्य बिजली उत्पादन उपकरणों जैसे कई क्षेत्रों में किया जा सकता है। उनमें से, फोटोवोल्टिक क्षेत्र पेरोव्स्काइट का मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्र है। कैल्शियम टाइटैनाइट संरचनाएं अत्यधिक डिजाइन योग्य हैं और इनमें बहुत अच्छा फोटोवोल्टिक प्रदर्शन है, जो हाल के वर्षों में फोटोवोल्टिक क्षेत्र में एक लोकप्रिय शोध दिशा है।
पेरोव्स्काइट का औद्योगीकरण तेज हो रहा है, और घरेलू उद्यम लेआउट के लिए प्रतिस्पर्धा कर रहे हैं। यह बताया गया है कि कैल्शियम टाइटेनियम अयस्क मॉड्यूल के पहले 5,000 टुकड़े हांग्जो फिना फोटोइलेक्ट्रिक टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड से भेजे गए; रेनशुओ फोटोवोल्टिक (सूज़ौ) कंपनी लिमिटेड दुनिया की सबसे बड़ी 150 मेगावाट पूर्ण कैल्शियम टाइटेनियम अयस्क लेमिनेटेड पायलट लाइन के निर्माण में भी तेजी ला रही है; कुशान जीसीएल फोटोइलेक्ट्रिक मैटेरियल्स कंपनी लिमिटेड 150 मेगावाट कैल्शियम-टाइटेनियम अयस्क फोटोवोल्टिक मॉड्यूल उत्पादन लाइन पूरी हो गई है और दिसंबर 2022 में परिचालन में डाल दी गई है, और उत्पादन तक पहुंचने के बाद वार्षिक उत्पादन मूल्य 300 मिलियन युआन तक पहुंच सकता है।

फोटोवोल्टिक उद्योग में कैल्शियम टाइटेनियम अयस्क के स्पष्ट लाभ हैं

फोटोवोल्टिक उद्योग में, हाल के वर्षों में पेरोव्स्काइट की अत्यधिक मांग रही है। सौर कोशिकाओं के क्षेत्र में इसके "पसंदीदा" के रूप में उभरने का कारण इसकी अपनी अनूठी स्थितियाँ हैं।
“सबसे पहले, पेरोव्स्काइट में कई उत्कृष्ट ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण हैं, जैसे समायोज्य बैंड गैप, उच्च अवशोषण गुणांक, कम एक्साइटन बाइंडिंग ऊर्जा, उच्च वाहक गतिशीलता, उच्च दोष सहनशीलता, आदि; दूसरे, पेरोव्स्काइट की तैयारी प्रक्रिया सरल है और पारभासी, अति-हल्कापन, अति-पतलापन, लचीलापन आदि प्राप्त कर सकती है। अंत में, पेरोव्स्काइट कच्चे माल व्यापक रूप से उपलब्ध हैं और प्रचुर मात्रा में हैं। लुओ जिंगशान ने परिचय दिया। और पेरोव्स्काइट की तैयारी के लिए कच्चे माल की अपेक्षाकृत कम शुद्धता की भी आवश्यकता होती है।
वर्तमान में, पीवी क्षेत्र बड़ी संख्या में सिलिकॉन-आधारित सौर कोशिकाओं का उपयोग करता है, जिन्हें मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन और अनाकार सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में विभाजित किया जा सकता है। क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाओं का सैद्धांतिक फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण ध्रुव 29.4% है, और वर्तमान प्रयोगशाला वातावरण अधिकतम 26.7% तक पहुंच सकता है, जो रूपांतरण की छत के बहुत करीब है; यह अनुमान लगाया जा सकता है कि तकनीकी सुधार का सीमांत लाभ भी छोटा और छोटा होता जाएगा। इसके विपरीत, पेरोव्स्काइट कोशिकाओं की फोटोवोल्टिक रूपांतरण दक्षता में 33% का उच्च सैद्धांतिक ध्रुव मूल्य होता है, और यदि दो पेरोव्स्काइट कोशिकाओं को एक साथ ऊपर और नीचे रखा जाता है, तो सैद्धांतिक रूपांतरण दक्षता 45% तक पहुंच सकती है।
"दक्षता" के अलावा, एक अन्य महत्वपूर्ण कारक "लागत" है। उदाहरण के लिए, पहली पीढ़ी की पतली फिल्म बैटरियों की लागत कम न हो पाने का कारण यह है कि कैडमियम और गैलियम के भंडार, जो पृथ्वी पर दुर्लभ तत्व हैं, बहुत कम हैं, और परिणामस्वरूप, उद्योग जितना अधिक विकसित होगा है, मांग जितनी अधिक होगी, उत्पादन लागत उतनी ही अधिक होगी, और यह कभी भी मुख्यधारा का उत्पाद नहीं बन पाया है। पेरोव्स्काइट का कच्चा माल पृथ्वी पर बड़ी मात्रा में वितरित किया जाता है, और कीमत भी बहुत सस्ती है।
इसके अलावा, कैल्शियम-टाइटेनियम अयस्क बैटरियों के लिए कैल्शियम-टाइटेनियम अयस्क कोटिंग की मोटाई केवल कुछ सौ नैनोमीटर है, जो सिलिकॉन वेफर्स की मोटाई का लगभग 1/500वां हिस्सा है, जिसका अर्थ है कि सामग्री की मांग बहुत कम है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाओं के लिए सिलिकॉन सामग्री की वर्तमान वैश्विक मांग लगभग 500,000 टन प्रति वर्ष है, और यदि उन सभी को पेरोव्स्काइट कोशिकाओं से बदल दिया जाता है, तो केवल लगभग 1,000 टन पेरोव्स्काइट की आवश्यकता होगी।
विनिर्माण लागत के संदर्भ में, क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाओं को 99.9999% तक सिलिकॉन शुद्धिकरण की आवश्यकता होती है, इसलिए सिलिकॉन को 1400 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाना चाहिए, तरल में पिघलाया जाना चाहिए, गोल छड़ और स्लाइस में खींचा जाना चाहिए, और फिर कम से कम चार कारखानों और दो के साथ कोशिकाओं में इकट्ठा किया जाना चाहिए। बीच में तीन दिन, और अधिक ऊर्जा खपत। इसके विपरीत, पेरोव्स्काइट कोशिकाओं के उत्पादन के लिए, केवल सब्सट्रेट पर पेरोव्स्काइट बेस तरल को लागू करना और फिर क्रिस्टलीकरण की प्रतीक्षा करना आवश्यक है। पूरी प्रक्रिया में केवल ग्लास, चिपकने वाली फिल्म, पेरोव्स्काइट और रासायनिक सामग्री शामिल होती है, और इसे एक कारखाने में पूरा किया जा सकता है, और पूरी प्रक्रिया में केवल लगभग 45 मिनट लगते हैं।
"पेरोव्स्काइट से तैयार सौर कोशिकाओं में उत्कृष्ट फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता होती है, जो इस स्तर पर 25.7% तक पहुंच गई है, और भविष्य में वाणिज्यिक मुख्यधारा बनने के लिए पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित सौर कोशिकाओं की जगह ले सकती है।" लुओ जिंगशान ने कहा।
औद्योगीकरण को बढ़ावा देने के लिए तीन प्रमुख समस्याएं हैं जिनका समाधान आवश्यक है

च्लोकोसाइट के औद्योगीकरण को आगे बढ़ाने में, लोगों को अभी भी 3 समस्याओं को हल करने की आवश्यकता है, अर्थात् च्लोकोसाइट की दीर्घकालिक स्थिरता, बड़े क्षेत्र की तैयारी और सीसे की विषाक्तता।
सबसे पहले, पेरोव्स्काइट पर्यावरण के प्रति बहुत संवेदनशील है, और तापमान, आर्द्रता, प्रकाश और सर्किट लोड जैसे कारक पेरोव्स्काइट के विघटन और सेल दक्षता में कमी का कारण बन सकते हैं। वर्तमान में अधिकांश प्रयोगशाला पेरोव्स्काइट मॉड्यूल फोटोवोल्टिक उत्पादों के लिए आईईसी 61215 अंतरराष्ट्रीय मानक को पूरा नहीं करते हैं, न ही वे सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के 10-20 साल के जीवनकाल तक पहुंचते हैं, इसलिए पारंपरिक फोटोवोल्टिक क्षेत्र में पेरोव्स्काइट की लागत अभी भी लाभप्रद नहीं है। इसके अलावा, पेरोव्स्काइट और उसके उपकरणों का क्षरण तंत्र बहुत जटिल है, और क्षेत्र में प्रक्रिया की कोई स्पष्ट समझ नहीं है, न ही कोई एकीकृत मात्रात्मक मानक है, जो स्थिरता अनुसंधान के लिए हानिकारक है।
दूसरा बड़ा मुद्दा यह है कि इन्हें बड़े पैमाने पर कैसे तैयार किया जाए. वर्तमान में, जब उपकरण अनुकूलन अध्ययन प्रयोगशाला में किए जाते हैं, तो उपयोग किए जाने वाले उपकरणों का प्रभावी प्रकाश क्षेत्र आमतौर पर 1 सेमी2 से कम होता है, और जब बड़े पैमाने पर घटकों के व्यावसायिक अनुप्रयोग चरण की बात आती है, तो प्रयोगशाला तैयारी विधियों में सुधार की आवश्यकता होती है या प्रतिस्थापित किया गया। बड़े क्षेत्र की पेरोव्स्काइट फिल्मों की तैयारी के लिए वर्तमान में लागू मुख्य विधियाँ समाधान विधि और वैक्यूम वाष्पीकरण विधि हैं। समाधान विधि में, पूर्ववर्ती समाधान की एकाग्रता और अनुपात, विलायक का प्रकार और भंडारण समय का पेरोव्स्काइट फिल्मों की गुणवत्ता पर बहुत प्रभाव पड़ता है। वैक्यूम वाष्पीकरण विधि पेरोव्स्काइट फिल्मों की अच्छी गुणवत्ता और नियंत्रणीय जमाव तैयार करती है, लेकिन अग्रदूतों और सब्सट्रेट्स के बीच अच्छा संपर्क हासिल करना फिर से मुश्किल है। इसके अलावा, क्योंकि पेरोव्स्काइट डिवाइस की चार्ज ट्रांसपोर्ट परत को भी एक बड़े क्षेत्र में तैयार करने की आवश्यकता होती है, औद्योगिक उत्पादन में प्रत्येक परत के निरंतर जमाव के साथ एक उत्पादन लाइन स्थापित करने की आवश्यकता होती है। कुल मिलाकर, पेरोव्स्काइट पतली फिल्मों की बड़े क्षेत्र की तैयारी की प्रक्रिया को अभी भी और अनुकूलन की आवश्यकता है।
अंततः, सीसे की विषाक्तता भी चिंता का विषय है। वर्तमान उच्च दक्षता वाले पेरोव्स्काइट उपकरणों की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के दौरान, पेरोव्स्काइट विघटित होकर मुक्त लेड आयन और लेड मोनोमर्स का उत्पादन करेगा, जो मानव शरीर में प्रवेश करने के बाद स्वास्थ्य के लिए खतरनाक होगा।
लुओ जिंगशान का मानना ​​है कि स्थिरता जैसी समस्याओं को डिवाइस पैकेजिंग द्वारा हल किया जा सकता है। "अगर भविष्य में, इन दो समस्याओं का समाधान हो जाता है, तो एक परिपक्व तैयारी प्रक्रिया भी होगी, फोटोवोल्टिक भवन एकीकरण को प्राप्त करने के लिए पेरोव्स्काइट उपकरणों को पारभासी ग्लास में बनाया जा सकता है या इमारतों की सतह पर किया जा सकता है, या एयरोस्पेस के लिए लचीले फोल्डेबल उपकरणों में बनाया जा सकता है और अन्य क्षेत्र, ताकि पानी और ऑक्सीजन के बिना अंतरिक्ष में पेरोव्स्काइट अधिकतम भूमिका निभा सके। लुओ जिंगशान पेरोव्स्काइट के भविष्य को लेकर आश्वस्त हैं।