2024 Sind Perowskit-Solarzellen im Handel erhältlich?

Perowskit-Solarzellen erfreuen sich als neue Generation der Photovoltaik-Technologie aufgrund ihrer hohen Effizienz und niedrigen Herstellungskosten immer größerer Beliebtheit. Angesichts der jüngsten Fortschritte bei Perowskit-Tandemsolarzellen, die einen Wirkungsgrad von über 30 % erreichen können, verzeichnet der Markt ein zunehmendes Interesse an der Einführung dieser Zellen. Im Jahr 2023 betrug die Verbreitungsrate von Perowskit-Solarzellen in China nur etwa 0,2 %, was auf eine kleine, aber wachsende Präsenz hinweist. Allerdings werden laufende Forschung und unterstützende Branchenrichtlinien die Akzeptanz in den kommenden Jahren wahrscheinlich steigern.

Perowskit-Solarzellen: Definition und Klassifizierung

Perowskit-Solarzellen sind Solarzellen der dritten Generation, die perowskitstrukturierte organisch-anorganische Halogenidhalbleiter als lichtabsorbierende Materialien verwenden. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und hohen Effizienz werden diese Zellen oft als Solarzellen der neuen Generation bezeichnet. Derzeit haben Perowskit-Solarzellen ein entscheidendes Stadium für die Kommerzialisierung erreicht. Den Daten aus dem Jahr 2023 zufolge lag die Marktdurchdringung von Perowskit-Solarzellen in China bei etwa 0,2 %. Da sich die Technologie weiterentwickelt, wird erwartet, dass die Akzeptanzrate von Perowskit-Solarzellen in China in Zukunft zunehmen wird.

Es gibt zwei Haupttypen von Perowskit-Solarzellen: Single-Junction- und Tandem-Perowskit-Solarzellen. Eine Single-Junction-Zelle enthält eine einfache „Sandwich“-Struktur aus Perowskitschichten. Im Gegensatz dazu können Perowskit-Tandemsolarzellen mehrere Perowskitschichten stapeln oder sie mit herkömmlichen Zellen auf Siliziumbasis kombinieren, um eine Struktur zu schaffen, die einen breiteren Bereich des Sonnenspektrums erfasst. Abhängig von den verwendeten Materialien können Tandemzellen unterschiedliche Konfigurationen annehmen, darunter Silizium/Perowskit-Tandemzellen, reine Perowskit-Tandemsolarzellen und Dünnschicht/Perowskit-Tandemzellen wie CIGS/Perowskit-Tandemzellen.

Branchenrichtlinien

In den letzten Jahren hat China mehrere Maßnahmen umgesetzt, um die Entwicklung und Innovation der Perowskit-Solarzellenindustrie zu fördern. Im Januar 2023 gab das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie zusammen mit fünf anderen Abteilungen die „Leitmeinungen zur Förderung der Entwicklung der Energieelektronikindustrie“ heraus, in denen eine koordinierte Entwicklung von Perowskit-Solarzellen (einschließlich Perowskit/Silizium-Tandemzellen) vorgeschlagen wurde. , amorphe/mikrokristalline Silizium-Dünnschichtzellen und andere hocheffiziente Dünnschichttechnologien. Ziel ist die Erweiterung der Anwendungsfelder um BIPV-Komponenten, Automotive-Komponenten und Outdoor-Anwendungen.

Im März 2024 veröffentlichte das Regierungsbüro der Provinz Henan die „Mitteilung zur Beschleunigung des Durchbruchs der „sechs neuen“ Industrien in der Fertigung“, in der die Notwendigkeit betont wurde, sich auf die Entwicklung von Materialien für kristalline Silizium-Photovoltaikzellen und Verbunddünnschichtmaterialien zu konzentrieren. Dazu gehören großformatiges einkristallines Silizium, polykristallines Silizium und Dünnschichttechnologien sowie neue hocheffiziente Perowskit-Solarzellenmaterialien und CIGS-Dünnschichtzellen. Ziel ist der Aufbau einer umfassenden Industriekette, die Silan, Siliziumgranulat, einkristalline Siliziumwafer, Batteriezellen und Kraftwerke umfasst.

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Geschichte der Perowskit-Solarzellen

Die Geschichte der Perowskit-Solarzellen begann im Jahr 1839, als der deutsche Wissenschaftler Gustav Rose das Perowskit-Mineral entdeckte. Im Jahr 2006 wurden Perowskit-Solarzellen erstmals in Photovoltaikanwendungen eingesetzt. Im Jahr 2009 nutzte der japanische Wissenschaftler Miyasaka Perowskit-Materialien als Lichtabsorber in farbstoffsensibilisierten Solarzellen und erreichte einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 3,8 %. Bis Oktober 2021 erreichten Forscher des Korea Institute of Science and Technology einen Wirkungsgrad von 25,8 % für Single-Junction-Perowskit-Solarzellen.

Im August 2022 meldete die Chinesische Akademie der Wissenschaften einen Wirkungsgrad von 25,6 %. Im Oktober 2020 erreichte das National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums einen Wirkungsgrad von 23,1 % für alle Perowskit-Tandemsolarzellen. Im Dezember 2020 stellte die britische PV-Anlage Oxford mit einem Wirkungsgrad von 29,5 % für Perowskit/Silizium-Tandemzellen einen Rekord auf. Das deutsche Helmholtz-Zentrum steigerte diesen im November 2021 auf 29,8 %, im Juli 2022 erreichte die Schweizer EPFL 31,3 %.

Am 3. November 2023 bescheinigte das US-China National Renewable Energy Laboratory (NREL), dass eine vom chinesischen Photovoltaikunternehmen Longi Green Energy entwickelte Perowskit-Silizium-Tandemzelle einen Wirkungsgrad von 33,9 % erreichte, den höchsten Rekord für Perowskit-Silizium-Tandemzellen weltweit .

Branchenbarrieren

1. Technische Barrieren
Die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen erfordert erhebliches technisches Fachwissen und langfristige Forschung. Neueinsteiger in die Perowskit-Solarzellenindustrie stehen vor der Herausforderung, kritische Technologien zu durchbrechen und ausgereifte Anwendungen zu erreichen, was viel Zeit und Mühe kosten kann. Die Forschung und Produktion von Materialien, Zellen, Modulen, Batteriepacks und Batteriemanagementsystemen erfordert hohe technische Fähigkeiten. Ohne die Beherrschung dieser Kerntechnologien werden Unternehmen Schwierigkeiten haben, wettbewerbsfähige Produkte herzustellen.

2. Markenbarrieren
Die Perowskit-Solarzellenindustrie weist hohe Markeneintrittsbarrieren auf. Zu den Schlüsselfaktoren, die die Entscheidungen der Kunden beeinflussen, gehören Produktsicherheit, Stabilität, Konsistenz und schnelle Reaktionsfähigkeiten. Es dauert in der Regel lange, bis Produkte vom Markt validiert werden und das Vertrauen der Kunden gewinnen. Unternehmen mit starken Gesamtkompetenzen und etablierten Marken gewinnen mit größerer Wahrscheinlichkeit das Vertrauen der Kunden und heben sich in der Branche ab.

3. Barrieren erklimmen
Auch die Perowskit-Solarzellenindustrie weist erhebliche Skalenbarrieren auf. Die Großserienproduktion profitiert von Skaleneffekten, die finanzstarken Unternehmen einen erheblichen Vorteil bei der Rohstoffbeschaffung und Produktion verschaffen. Darüber hinaus sind kontinuierliche Investitionen erforderlich, um in der Technologieentwicklung an der Spitze zu bleiben. Nur Großunternehmen können ihren Wettbewerbsvorteil durch kontinuierliche Innovation und Forschung behaupten.

Industriekette

1. Analyse der Perowskit-Solarzellen-Industriekette

Die Industriekette für Perowskit-Solarzellen besteht aus Upstream-, Midstream- und Downstream-Segmenten. Das Upstream-Segment umfasst Rohstoffe und Geräte wie Perowskitverbindungen, Targetmaterialien, TCO-Glas und lichtabsorbierende Materialien. Zu den wichtigsten Geräten gehören Beschichtungsmaschinen, Lasermaschinen, Abscheidungsgeräte und Verkapselungsmaschinen. Das Midstream-Segment konzentriert sich auf die Herstellung von Perowskit-Solarzellen, während das Downstream-Segment Anwendungen in der Photovoltaikindustrie, der LED-Produktion, Katalysatoren, Metall-Luft-Batterien, Gassensormaterialien und magnetischen Kühlmaterialien umfasst.

2. Analyse führender Unternehmen

2.1 CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.)

CATL wurde 2011 gegründet und ist einer der führenden Hersteller von Energiebatterien in China, der sich auf neue Antriebssysteme für Fahrzeuge, Energiespeichersysteme und andere Anwendungen konzentriert. Ihre Kerntechnologien decken die gesamte Wertschöpfungskette ab, von Materialien und Batteriezellen bis hin zur Systemintegration und Batterierecycling. CATL hat mit mehreren führenden inländischen Automobilherstellern Partnerschaften geschlossen und eine starke Präsenz auf den globalen Märkten aufgebaut.

Im Bereich Perowskit-Solarzellen betrachtet CATL Perowskit-Tandemsolarzellen als eine Schlüsseltechnologie der Zukunft und beschleunigt aktiv die Forschungs- und Industrialisierungsbemühungen. Sie treiben auch die Produktion im Pilotmaßstab voran, um ihre Ambitionen im Photovoltaiksektor voranzutreiben.

2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.

Longi Green Energy wurde im Jahr 2000 gegründet und hat sich zum Ziel gesetzt, das wertvollste Solartechnologieunternehmen der Welt zu werden. Das Unternehmen konzentriert sich auf technologische Innovation und bietet Lösungen für monokristalline Siliziumwafer, Zellen, Module, verteilte Photovoltaiksysteme und Wasserstoffenergie. Mit der Markenmission, „die Sonnenstrahlen voll auszunutzen, um eine grüne Energiewelt zu schaffen“, hat sich Longi zu einem weltweit führenden Anbieter hocheffizienter siliziumbasierter Technologie entwickelt.

Im November 2022 stellte Longi mit 26,81 % einen Weltrekord für den Wirkungsgrad siliziumbasierter Solarzellen auf. Bis November 2023 hat sich Longi selbst entwickeltPerowskit-Tandemsolarzelleerreichte einen Wirkungsgrad von 33,9 % und stellte damit einen neuen Weltrekord auf. Im Jahr 2023 stieg der Umsatz von Longi mit Modulen und Zellen im Jahresvergleich um 16,91 % auf 99,199 Milliarden RMB, hauptsächlich aufgrund höherer Verkäufe von Solarmodulen.

Aktueller Branchenstatus

Derzeit drängen aufstrebende Hersteller von Perowskit-Solarzellen in China rasch in den Markt und treiben die Industrialisierung von Perowskit-Solarzellen voran. Die Technologie befindet sich noch in den Anfängen der Kommerzialisierung und es werden fortlaufend Änderungen an der Zellstruktur, den Materialsystemen, den Herstellungsprozessen und der Produktionsausrüstung vorgenommen. Hersteller von Perowskit-Solarzellen validieren aktiv verschiedene technische Wege und beschleunigen den Prozess der Massenproduktion. Im Jahr 2023 lag die Penetrationsrate von Perowskit-Solarzellen in China bei 0,2 %. Da die Technologie weiter ausgereift ist, wird erwartet, dass die Akzeptanzrate von Perowskit-Solarzellen in Zukunft zunehmen wird.

Zukünftige Chancen und Herausforderungen

Trotz der vielversprechenden Zukunft für Perowskit-Solarzellen bleiben einige Herausforderungen für ihre weitverbreitete Einführung bestehen. Eines der Haupthindernisse ist die Schwierigkeit, langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit zu erreichen, da Perowskit-Solarzellen bekanntermaßen schneller abbauen als herkömmliche Zellen auf Siliziumbasis. Darüber hinaus müssen die Kosten für Perowskit-Solarzellen gesenkt werden, um mit anderen Technologien konkurrenzfähig zu werden. Unternehmen müssen sich auch den Herausforderungen stellen, die Produktion zu steigern und regulatorische Hürden zu überwinden, um sicherzustellen, dass Perowskit-Solarzellen sowohl effizient als auch erschwinglich sind.

Vorteile von Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis mehrere wesentliche Vorteile, was sie zu einer vielversprechenden Technologie für zukünftige Energielösungen macht. Nachfolgend sind einige wichtige Vorteile von Perowskit-Solarzellen aufgeführt:

1. Hohe Effizienz: Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen ist in den letzten Jahren rasant gestiegen und erreicht über 25 % bei Einzelübergangszellen und sogar noch mehr bei Perowskit-Tandem-Solarzellen. Diese schnelle Verbesserung ist einer der Hauptgründe dafür, dass die Technologie als äußerst attraktiv gilt.
2. Kostengünstig: Einer der Hauptvorteile von Perowskit-Solarzellen sind ihre geringeren Produktionskosten. Der Herstellungsprozess für Perowskit-Solarzellen ist weniger komplex und energieintensiv als der von herkömmlichen Siliziumzellen, was zu potenziell niedrigeren Preisen führt.
3. Leicht und flexibel: Flexible Perowskit-Solarzellen können auf verschiedenen Substraten, einschließlich Kunststofffolien, hergestellt werden, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen es auf geringes Gewicht und Flexibilität ankommt. Diese Funktion eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare und tragbare Energielösungen.
4. Anpassbare Bandlücke: Die Bandlücke von Perowskit-Solarzellen kann durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung eingestellt werden, sodass sie ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts einfangen können. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für die Herstellung hocheffizienter Tandemsolarzellen aus reinem Perowskit.

Anwendungen von Perowskit-Solarzellen

Die Anwendungen von Perowskit-Solarzellengehen über herkömmliche Solaranlagen auf Dächern hinaus. Ihre Vielseitigkeit ermöglicht die Integration in eine Vielzahl von Umgebungen:

1. Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV): Zu den Anwendungen von Perowskit-Solarzellen gehört der Einbau in Baumaterialien wie Fenster und Fassaden. Aufgrund ihrer Transparenz und Ästhetik eignen sich die Zellen für BIPV-Projekte.
2. Tragbare und tragbare Geräte: Das geringe Gewicht flexibler Perowskit-Solarzellen macht sie ideal für kleine Elektronikgeräte wie tragbare Ladegeräte, Wearables und Sensoren.
3. Automobilindustrie: Perowskit-Solarzellen können in Fahrzeuge integriert werden, um zusätzliche Energie für die Bordelektronik bereitzustellen oder sogar Elektrofahrzeuge teilweise aufzuladen.
4. Weltraumanwendungen: Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Effizienz werden Perowskit-Solarzellen für den Einsatz in weltraumgestützten Solarmodulen untersucht.

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Herausforderungen bei der Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen

Trotz ihres Potenzials müssen mehrere Herausforderungen bei der Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen bewältigt werden, bevor sie weit verbreitet werden können:

1. Stabilitätsprobleme: Eine große Herausforderung für Hersteller von Perowskit-Solarzellen besteht darin, die Langzeitstabilität unter realen Bedingungen sicherzustellen. Die Einwirkung von Feuchtigkeit, Sauerstoff und UV-Licht kann die Zellmaterialien abbauen und ihre Lebensdauer beeinträchtigen.
2. Skalierbarkeit: Der Übergang von der Produktion im Labormaßstab zur Produktion im Großmaßstab ist eine komplexe Aufgabe. Eine wesentliche Hürde besteht darin, die hohe Effizienz von Perowskit-Solarzellen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Produktion zu steigern.
3. Bedenken hinsichtlich der Toxizität: Die Verwendung von Blei in Perowskit-Solarzellen wirft Umwelt- und Gesundheitsbedenken auf. Forscher arbeiten an der Entwicklung bleifreier Alternativen, diese erreichen jedoch noch nicht die Leistung herkömmlicher Perowskit-Zellen.
4. Kosten für Perowskit-Solarzellen: Obwohl Perowskit-Solarzellen billiger in der Herstellung sind als Siliziumzellen, muss der Gesamtpreis für Perowskit-Solarzellen für eine breite Markteinführung weiter sinken.

Struktur von Perowskit-Solarzellen

Die Struktur von Perowskit-Solarzellenist im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen relativ einfach. Es umfasst typischerweise eine Perowskit-Absorberschicht, die zwischen zwei Transportschichten liegt:

1. Elektronentransportschicht (ETL): Diese Schicht hilft dabei, in der Perowskitschicht erzeugte Elektronen an den externen Schaltkreis zu übertragen.
2. Perowskit-Schicht: Die Perowskitschicht ist das Herzstück der Zelle, in dem die Lichtabsorption und die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren stattfinden. Diese Schicht kann individuell angepasst werden, um die Leistung der Zelle zu optimieren.
3. Lochtransportschicht (HTL): Diese Schicht sammelt Löcher (positive Ladungsträger) und überträgt sie an den Schaltkreis.
4. Substrat: Die gesamte Zelle ist in der Regel auf einem Substrat aufgebaut, das je nach Anwendung entweder starr (Glas) oder flexibel (Kunststoff) sein kann.

Sind Perowskit-Solarzellen im Handel erhältlich?

Eine häufig gestellte Frage lautet: Sind Perowskit-Solarzellen im Handel erhältlich? Derzeit haben nur wenige Hersteller von Perowskit-Solarzellen mit der Kommerzialisierung in kleinem Maßstab begonnen. Einige Unternehmen bieten Perowskit-Solarzellen für Nischenanwendungen wie tragbare Elektronik und Forschungszwecke an. Aufgrund der zuvor genannten Herausforderungen befindet sich die weitverbreitete Einführung der Stromerzeugung im großen Maßstab jedoch noch im Anfangsstadium. Mit fortschreitender Technologie und sinkenden Preisen für Perowskit-Solarzellen wird erwartet, dass die kommerzielle Verfügbarkeit zunimmt.

Zukunftsausblick

Die Zukunft von Perowskit-Solarzellen ist vielversprechend. Die laufenden Forschungsarbeiten zielen darauf ab, bestehende Hindernisse zu überwinden und die Leistung zu steigern. Kontinuierliche Bemühungen zur Lösung von Stabilitäts-, Skalierbarkeits- und Umweltaspekten werden für die erfolgreiche Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen von entscheidender Bedeutung sein. Infolgedessen investieren Hersteller von Perowskit-Solarzellen stark in Forschung und Entwicklung, was diese Technologie zu einer im Auge behaltenden Technologie auf dem Markt für erneuerbare Energien macht.

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen?

Um zu verstehen, wie Perowskit-Solarzellen funktionieren, muss man sich ihre einzigartige Struktur und die Art und Weise ansehen, wie sie Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln. Der Prozess lässt sich in ein paar Schlüsselschritten zusammenfassen:

1. Lichtabsorption: Wenn Sonnenlicht auf die Perowskit-Solarzelle trifft, absorbiert die Perowskit-Schicht Photonen, die dann die Elektronen im Material anregen und so Elektron-Loch-Paare (auch Exzitonen genannt) erzeugen.
2. Ladungstrennung: Die Exzitonen werden in freie Elektronen und Löcher getrennt, die von den Elektronen- und Lochtransportschichten gesammelt werden. Die Elektronentransportschicht (ETL) überträgt Elektronen zur Elektrode, während die Lochtransportschicht (HTL) die Löcher zur gegenüberliegenden Elektrode leitet.
3. Gebührenerhebung: Die getrennten Elektronen und Löcher bewegen sich zu ihren jeweiligen Elektroden und erzeugen dabei einen elektrischen Strom. Dieser Strom kann dann zur Stromversorgung externer Geräte verwendet werden.
4. Energieumwandlung: Der erzeugte Strom ist Gleichstrom (DC), der zur Verwendung in den meisten privaten und gewerblichen Anwendungen in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden kann.

Durch die Optimierung jeder Schicht und die Verbesserung der Materialqualität steigern Forscher kontinuierlich die Effizienz von Perowskit-Solarzellen.

Invertierte Perowskit-Solarzellen mit Dimethylacridin-basierten Dotierstoffen

Jüngste Fortschritte haben zur Entwicklung invertierter Perowskit-Solarzellen mit Dotierstoffen auf Dimethylacridinbasis geführt. In herkömmlichen Perowskit-Zellen bewegen sich die Elektronen und Löcher in eine bestimmte Richtung, invertierte Strukturen kehren diese Konfiguration jedoch um. Invertierte Perowskit-Solarzellen tragen zu einer besseren Stabilität bei und lassen sich leichter in Tandemkonfigurationen integrieren.

Die Zugabe von Dotierstoffen auf Dimethylacridinbasis verbessert die Leistung der Lochtransportschicht und erhöht so die Gesamteffizienz der Zelle. Diese Innovation ist ein Schritt zur Lösung einiger Langzeitstabilitätsprobleme von Perowskit-Solarzellen.

Flexible Perowskit-Solarzellen

Flexible perovskite solar cells are a breakthrough technology that can be used in applications where traditional rigid solar panels are not suitable. By using flexible substrates such as plastic or thin metal foils, these cells can be bent, rolled, or even folded without losing efficiency. This makes them ideal for portable power solutions, wearable technology, and curved surfaces such as car roofs.

The main challenge for flexible perovskite solar cells is maintaining stability and performance under mechanical stress. However, ongoing research is focused on improving the durability and lifespan of these flexible cells, making them a promising option for future energy solutions.

Hersteller von Perowskit-Solarzellen

Currently, there are a few key perovskite solar cell manufacturers leading the charge in commercializing this technology. Some of the top perovskite solar cell manufacturers include:

1. Oxford PV: A UK-based company that specializes in perovskite tandem solar cells. Oxford PV has set multiple efficiency records and is now focused on scaling up production for commercial use.
2. Saule Technologies: A Polish company pioneering flexible perovskite solar cells. Saule Technologies aims to bring perovskite solar cells to a variety of applications, from building-integrated photovoltaics (BIPV) to portable electronics.
3. GCL-Poly Energy Holdings: Ein chinesisches Unternehmen, das aktiv an der Forschung und Entwicklung von Perowskit-Solarzellen beteiligt ist. GCL investiert in große Produktionsanlagen und plant, in den kommenden Jahren in den kommerziellen Markt einzusteigen.
4. Hunt Perovskite Technologies: Hunt Perovskite Technologies mit Sitz in den USA arbeitet an der Lösung der Stabilitätsprobleme von Perowskit-Solarzellen und möchte diese Technologie auf den nordamerikanischen Markt bringen.

Diese Hersteller von Perowskit-Solarzellen sind führend bei Innovationen und treiben die Branche voran. Mit fortschreitender Forschung und zunehmender Produktion wird erwartet, dass weitere Unternehmen dem Markt beitreten.

Fazit: Zukunftspotenzial für Perowskit-Solarzellen

Die Zukunft von Perowskit-Solarzellen sieht vielversprechend aus, da sich die Forscher weiterhin mit Herausforderungen wie Stabilität und Skalierbarkeit befassen. Mit ihren einzigartigen Eigenschaften und dem Potenzial zur Kombination mit vorhandenen Siliziumzellen könnten alle Perowskit-Tandemsolarzellen bald eine neue Ära der Solarenergie einläuten. Da die Kosten für Perowskit-Solarzellen sinken und die Technologie ausgereifter wird, wird erwartet, dass diese Zellen eine Schlüsselrolle auf dem globalen Markt für erneuerbare Energien spielen und eine erschwinglichere und effizientere Lösung für die Solarstromerzeugung bieten werden.