Estado de desarrollo y sugerencias de la tecnología fotovoltaica de perovskita

Como tecnología fotovoltaica emergente de tercera generación, las células solares de perovskita han aumentado su eficiencia de conversión fotoeléctrica del 3,8 % al 25,7 % en poco más de diez años desde su lanzamiento en 2009. A medida que la eficiencia de las células solares de silicio cristalino se acerca gradualmente al límite teórico, la alta -Las celdas de perovskita de bajo costo y eficiencia han atraído cada vez más la atención de la industria fotovoltaica mundial. Si bien la investigación académica continúa realizándose en profundidad, la tecnología de industrialización de la energía fotovoltaica de perovskita también ha logrado avances continuos. Como el país fotovoltaico más grande del mundo, mi país ha mantenido durante mucho tiempo una posición de liderazgo en el campo de la fotovoltaica de silicio cristalino; y en el campo emergente de la fotovoltaica de perovskita, está en la misma línea de partida que otros países.

1. Estado de desarrollo de la tecnología fotovoltaica de perovskita

Las células solares de perovskita utilizan haluros con estructura de perovskita como materiales de capa absorbente de luz, que tienen las características de banda prohibida ajustable, alto coeficiente de absorción de luz, bajo coeficiente de temperatura, delgadez y flexibilidad, y actualmente son el nuevo tipo más prometedor de aplicación a gran escala. . Bateria solar. Después de más de diez años de investigación, los principios básicos, las formulaciones de materiales y las rutas de optimización del rendimiento de la energía fotovoltaica de perovskita han tomado forma gradualmente. Al mismo tiempo, el proceso de producción en masa de células y módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y la localización completa de los equipos de la línea de producción proporcionan una referencia líder para la industrialización de la tecnología fotovoltaica de perovskita. En los últimos años, equipos de I+D de universidades e institutos de investigación científica y células, Los fabricantes de módulos y equipos en el campo de la fotovoltaica de silicio cristalino han invertido en la investigación y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica de perovskita. Se han logrado avances significativos en módulos fotovoltaicos y equipos de producción de módulos de perovskita.

(1) Estado de investigación de las células solares de perovskita

La alta eficiencia es la ventaja más convincente de las células solares de perovskita. La eficiencia límite teórica de las células de perovskita es del 33 %, muy superior al 29,4 % de las células de silicio cristalino. Al optimizar los componentes, la microestructura y el proceso de preparación de la batería, la eficiencia de las baterías de perovskita preparadas en el laboratorio ha alcanzado repetidamente nuevos máximos. En julio de 2022, la batería de perovskita desarrollada por el Instituto de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China obtuvo una eficiencia certificada del 25,6 %, solo superada por el récord de eficiencia más alto del mundo del 25,7 % creado por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST ) en Corea del Sur en 2021.

El rango de respuesta espectral de las baterías de perovskita es de 300 a 800 nanómetros, es decir, la banda de luz visible, mientras que las baterías de silicio cristalino, las baterías de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), etc., pueden absorber y utilizar la luz infrarroja. Por lo tanto, la combinación de celdas de perovskita con silicio cristalino, CIGS y otras celdas para formar una celda laminada puede aprovechar al máximo la luz en cada banda y obtener una mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica. La propia celda de perovskita también puede cambiar el rango de absorción de la luz ajustando la brecha de banda. Combinando celdas de perovskita de banda prohibida ancha y estrecha en celdas apiladas, la eficiencia de conversión fotoeléctrica se puede mejorar significativamente. En junio de 2022, la Universidad de Nanjing desarrolló una pila de perovskita/perovskita con una eficiencia del 28,0 %, estableciendo un nuevo récord mundial.

Las baterías de perovskita flexibles y las baterías de perovskita para interiores adecuadas para aplicaciones tales como edificios, dispositivos portátiles y bienes de consumo también son puntos críticos de investigación actuales. La mayor eficiencia de la batería de perovskita flexible desarrollada por la Universidad de Tsinghua es del 23,6%, estableciendo un nuevo récord mundial; Actualmente, la Universidad Normal de Shaanxi mantiene la eficiencia más alta del mundo de la batería de perovskita para interiores. Bajo la luz interior de 824,5 lux, la eficiencia de la batería alcanza el 40,1 %.

la investigación de mi país sobre las células solares de perovskita se está desarrollando al mismo ritmo que el mundo, y varios equipos de investigación se encuentran en el nivel de primera clase del mundo. Los fructíferos resultados de la investigación de laboratorio han proporcionado suficiente orientación teórica para la industrialización de la fotovoltaica de perovskita en mi país. La academia y la industria han llevado a cabo una cooperación profunda para promover continuamente la transformación de los resultados de la investigación de laboratorio en tecnología de producción de vectores.

(2) Estado de desarrollo de la tecnología de módulos fotovoltaicos de perovskita

Los módulos fotovoltaicos de perovskita son módulos de película delgada, que se fabrican depositando secuencialmente varias capas de películas delgadas de células de perovskita sobre vidrio y encapsulándolas. La capa de transporte de agujeros, la capa de transporte de electrones, el contraelectrodo y otras películas delgadas en la batería generalmente se preparan mediante el método de deposición al vacío, mientras que el proceso de preparación de la capa de absorción de perovskita se divide en método húmedo y método seco. El proceso húmedo típico, como el método de recubrimiento por hendidura, tiene una estructura de equipo relativamente simple y es fácil ampliar el área de recubrimiento de la película de la batería desde el nivel milimétrico preparado en el laboratorio hasta decenas de centímetros, por lo que actualmente es utilizado por la mayoría de las líneas de producción de prueba. Sin embargo, teniendo en cuenta que aumentar el área del módulo planteará mayores requisitos en cuanto a la calidad de la película,

Debido a la dificultad en el control de calidad de las películas delgadas de gran área, cuanto mayor sea el área del componente de perovskita, mayor será la caída en la eficiencia. En la actualidad, la eficiencia de los módulos pequeños de decenas de centímetros cuadrados puede alcanzar más del 20 %, la eficiencia de los módulos de cientos de centímetros cuadrados puede alcanzar el 18 %, mientras que la eficiencia de los módulos de más de 0,1 metros cuadrados es solo del 16 %. Se puede ver que la eficiencia de los componentes de perovskita a gran escala adecuados para aplicaciones a gran escala aún debe mejorarse.

Las líneas de producción de componentes de perovskita que se han completado preliminarmente y están en construcción son todas líneas de prueba de 100 megavatios o menos, y la película de la capa absorbente de perovskita se recubre mediante el método húmedo. Con base en las condiciones de la línea de producción similares a la producción en masa, se espera que la fórmula del material, el proceso de producción y el diseño de las especificaciones del producto de los componentes se optimicen rápidamente.

La principal diferencia entre los componentes apilados de perovskita/silicio cristalino y los componentes de perovskita convencionales es que la película de la celda de perovskita no se deposita directamente sobre todo el vidrio, sino sobre la celda de silicio cristalino. Por un lado, el área de película más pequeña reduce los requisitos de tamaño para el equipo de deposición de película, y el acoplamiento con la línea de producción de celdas de silicio cristalino también ayuda a reducir los costos de producción; por otro lado, las celdas de perovskita necesitan estar unidas con celdas de silicio cristalino, el diseño de la batería es más difícil. En la actualidad, la eficiencia más alta de los módulos laminados de perovskita/silicio cristalino de 20 centímetros cuadrados preparados en el laboratorio es del 26,63 %, pero no se ha completado ni puesto en producción ninguna línea piloto de módulos laminados de perovskita.

Además, basándose en las características ligeras, delgadas y translúcidas de las baterías de perovskita, algunas instituciones de investigación y fabricantes están desarrollando componentes flexibles y de colores. Se espera que estos componentes especiales se apliquen en dispositivos portátiles, construcción y otros escenarios.

2. Desafíos que enfrenta la industrialización de la fotovoltaica de perovskita

(1) La estabilidad de las baterías de perovskita en servicio a largo plazo

El problema de la estabilidad de las células solares de perovskita es el principal desafío para las aplicaciones prácticas. Bajo la estimulación de condiciones externas como vapor de agua, alta temperatura y radiación ultravioleta, las baterías de perovskita son propensas a la degradación y su rendimiento se ve seriamente atenuado. Hay dos medidas principales para mejorar la estabilidad de las baterías de perovskita. Uno es optimizar los componentes y la microestructura de la propia batería, y el otro es optimizar los materiales de embalaje y los procesos de embalaje de los módulos fotovoltaicos de perovskita.

Algunos fabricantes han anunciado que los productos de módulos producidos en pruebas han superado la prueba de estabilidad del módulo realizada de acuerdo con estándares internacionales reconocidos por la industria fotovoltaica como IEC 61215, y en base a esto, se especula que la vida útil de los módulos de perovskita es equivalente a la de los módulos de silicio cristalino, que pueden garantizar una vida útil de 25 años. Después de un año, la eficiencia de generación de energía se mantiene por encima del 80% del valor inicial. Sin embargo, teniendo en cuenta que los componentes de perovskita aún no se han producido ni aplicado en masa, queda por probar su estabilidad en entornos de servicio reales, como alta temperatura, alta humedad y niebla salina alta.

(2) Problemas de eficiencia y calidad de los componentes de perovskita de área grande

La eficiencia y la calidad de los componentes de perovskita de gran superficie son bajas, principalmente debido al equipo limitado y al nivel del proceso de deposición de película fina de gran superficie. A diferencia del modo de conectar múltiples celdas de área pequeña en serie y en paralelo en el módulo de silicio cristalino, el área de recubrimiento del módulo de perovskita alcanza el nivel del metro cuadrado. En la actualidad, existe una brecha entre el rendimiento de recubrimiento continuo y uniforme de gran superficie de los equipos de recubrimiento al vacío domésticos y el nivel avanzado internacional. Además, la depuración del proceso en la línea de producción de recubrimientos de gran superficie también es relativamente difícil.

(3) Problemas de placa corta de componentes clave del equipo de la línea de producción fotovoltaica

Después de años de rápido desarrollo, la industria fotovoltaica de mi país básicamente se ha dado cuenta de la localización de toda la línea de producción de equipos, pero algunos componentes clave de los equipos todavía dependen de las importaciones. Por ejemplo, las bombas de vacío, las fuentes de alimentación de radiofrecuencia, las válvulas, etc. en los equipos de revestimiento al vacío, los láseres, los espejos vibratorios, etc. en los equipos de grabado láser tienen una gran brecha con los principales fabricantes internacionales en términos de indicadores técnicos y confiabilidad de calidad. Aunque los fabricantes de equipos de línea de producción fotovoltaica de mi país han participado anteriormente en el desarrollo de equipos de producción de módulos de perovskita y han logrado resultados preliminares, de modo que las líneas de prueba pequeña, prueba piloto y producción en masa de módulos de perovskita de mi país siempre han mantenido un alto grado de localización,

3. Propuestas para promover la industrialización de la energía fotovoltaica de perovskita

(1) Desempeñar efectivamente el papel rector del gobierno La

tecnología fotovoltaica de perovskita, como una nueva generación de tecnología fotovoltaica con las perspectivas de aplicación a gran escala más prometedoras, ha llamado la atención de la energía nacional y autoridades tecnológicas, academia, industria y diversas entidades de inversión. Sin embargo, existen conceptos exagerados y siguiendo ciegamente la tendencia del mercado actual, lo que puede tener un impacto negativo en el sólido avance de la industrialización de la tecnología fotovoltaica de perovskita.

Con el fin de promover la industrialización eficiente y ordenada de la tecnología fotovoltaica de perovskita, el papel regulador y rector de las autoridades nacionales de energía y ciencia y tecnología debe utilizarse plenamente para formular indicadores técnicos e introducir políticas de incentivos; establecer un mecanismo de coordinación de "gobierno-industria-universidad-investigación-aplicación" para alentar varias rutas técnicas, varias I + D y entidades de mercado participen ampliamente en el proceso de industrialización de la tecnología fotovoltaica de perovskita; adhiérase al concepto de apertura y cooperación, guíe el flujo bidireccional nacional e internacional de tecnología, talentos, capital, etc., e insista en "invitar a entrar" y "salir". Prestar la misma atención para crear activamente una ecología industrial internacional integral y profundamente integrada; fomentar el capital estatal para apoyar la industrialización de la tecnología fotovoltaica de perovskita en diversas formas y guiar el desarrollo saludable de la industria a través de medios de mercado.

Los gobiernos locales en todos los niveles deben implementar con seriedad los requisitos de la política nacional, como el "14° Plan quinquenal para la innovación científica y tecnológica en el campo de la energía" y el "Plan de implementación de la neutralidad de carbono del pico de carbono de apoyo científico y tecnológico (2022-2030)" para formular y promover la industrialización de la fotovoltaica de perovskita Planes específicos y políticas de incentivo, seguir los principios de la ciencia, el pragmatismo y el rigor, y promover el desarrollo saludable de los eslabones de la cadena de la industria fotovoltaica de perovskita adecuados para esta región.

(2) Cooperación multidisciplinaria para formar una fuerza conjunta

La investigación de laboratorio y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica de perovskita está dirigida principalmente por académicos en los campos de la ciencia de los materiales, la química y la física. Cuando entra en la etapa de industrialización, involucra más campos técnicos y más eslabones en la cadena industrial. Es necesaria la colaboración en múltiples campos profesionales. En particular, es necesario introducir activamente tecnologías avanzadas en varios campos profesionales para mejorar la eficiencia y el efecto de la industrialización fotovoltaica de perovskita. Por ejemplo, usar aprendizaje automático, big data y otras tecnologías para reemplazar todos los métodos manuales hasta cierto punto, llevar a cabo experimentos de alto rendimiento, evaluar de manera eficiente y precisa los materiales, las formulaciones y las condiciones del proceso de fabricación de los módulos fotovoltaicos de perovskita, y mejorar en gran medida los materiales de la línea de producción y la capacidad de producción. La velocidad de optimización de procesos; aprovechando la tecnología avanzada en los campos del revestimiento de paneles de visualización de gran superficie, el procesamiento de semiconductores, el procesamiento de elementos ópticos y otros campos y equipos de producción, para ayudar a mejorar la calidad del revestimiento del módulo fotovoltaico de perovskita.

(3) Acelerar la demostración y la aplicación de demostración de los productos fotovoltaicos de perovskita

Los riesgos potenciales, como la inestabilidad y la fuga de metales tóxicos de los módulos fotovoltaicos de perovskita, dificultarán su aplicación a gran escala. Por lo tanto, es necesario conocer su rendimiento y seguridad real del servicio a través de una gran cantidad de pruebas empíricas y aplicaciones de demostración lo antes posible, para evaluar con precisión el riesgo de su aplicación y brindar apoyo científico para su promoción y aplicación.

El buen desarrollo de las aplicaciones de demostración y demostración de los productos fotovoltaicos de perovskita requiere la cooperación de las unidades de usuario y las empresas de la red eléctrica con los fabricantes de productos fotovoltaicos de perovskita, los fabricantes de equipos de sistemas fotovoltaicos, las unidades de prueba y certificación, las unidades de diseño y construcción, etc., para abrir todos los aspectos de la implementación del proyecto, para crear un entorno de aplicación abierto e inclusivo.

(4) Construir un sistema estándar para la tecnología fotovoltaica de perovskita de manera oportuna y luchar activamente para dominar el derecho a hablar en los estándares internacionales.

Para garantizar que la tecnología de producción y aplicación de productos fotovoltaicos de perovskita sea estandarizada, sistemática, escalable y compatible con el sistema de tecnología de aplicación fotovoltaica existente, se debe establecer un sistema estándar simultáneamente en el proceso de industrialización fotovoltaica de perovskita. La construcción del sistema estándar fotovoltaico de perovskita debe basarse en el sistema estándar de tecnología fotovoltaica actual, cumplir con los requisitos de la aplicación, reflejar completamente las características de la producción y aplicación de productos fotovoltaicos de perovskita y tener en cuenta el desarrollo y cambio continuos de la tecnología fotovoltaica de perovskita. tecnología. De acuerdo con la situación actual, se deben tener en cuenta tanto la estandarización como la flexibilidad.

El establecimiento del sistema estándar internacional fotovoltaico actual se originó en la década de 1980. La industria fotovoltaica de silicio cristalino de mi país, como una estrella en ascenso, se desarrolló en el marco del sistema de normas internacionales existente y realizó pocas contribuciones originales en la formulación de normas internacionales. La participación en las organizaciones internacionales de estándares es relativamente baja y el derecho a hablar es débil. En el campo de la fotovoltaica de perovskita, el nivel de investigación de mi país es comparable al del mundo, y el progreso y la escala de la industrialización tienen una ligera ventaja. Por lo tanto, debemos aprovechar la oportunidad de apoyar activamente el campo fotovoltaico de perovskita de mi país, especialmente los expertos técnicos en la primera línea de la industrialización.