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

Perovskite solar cells are a type of third-generation solar cell that uses perovskite-structured organic-inorganic halide semiconductors as light-absorbing materials. These cells are often referred to as new-generation solar cells due to their unique structure and high efficiency. Currently, perovskite solar cells have reached a crucial stage for commercialization. According to 2023 data, the market penetration of perovskite solar cells in China was about 0.2%. As technology continues to evolve, the adoption rate of perovskite solar cells in China is expected to grow in the future.There are two main types of perovskite solar cells: single-junction and tandem perovskite solar cells. A single-junction cell contains a simple “sandwich” structure of perovskite layers. In contrast, perovskite tandem solar cells can stack multiple perovskite layers or combine them with traditional silicon-based cells to create a structure that captures a broader range of the solar spectrum. Depending on the materials used, tandem cells can follow different configurations, including silicon/perovskite tandem cells, all perovskite tandem solar cells, and thin-film/perovskite tandem cells such as CIGS/perovskite tandem cells.

Branchenrichtlinien

In recent years, China has implemented multiple policies to encourage the development and innovation of the perovskite solar cell industry. In January 2023, the Ministry of Industry and Information Technology, along with five other departments, issued the "Guiding Opinions on Promoting the Development of the Energy Electronics Industry," which proposed coordinated development of perovskite solar cells (including perovskite/silicon tandem cells), amorphous/microcrystalline silicon thin-film cells, and other high-efficiency thin-film technologies. The goal is to expand the application fields to include BIPV components, automotive components, and outdoor applications.In March 2024, the Henan Provincial Government Office released the "Notice on Accelerating the Breakthrough of the 'Six New' Industries in Manufacturing," emphasizing the need to focus on the development of crystalline silicon photovoltaic cell materials and compound thin-film materials. This includes large-size single-crystal silicon, polycrystalline silicon, and thin-film technologies, as well as new high-efficiency perovskite solar cell materials and CIGS thin-film cells. The aim is to build a comprehensive industry chain covering silane, granular silicon, single-crystal silicon wafers, battery cells, and power stations.

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Geschichte der Perowskit-Solarzellen

The history of perovskite solar cells began in 1839 when the German scientist Gustav Rose discovered the perovskite mineral. In 2006, perovskite solar cells were first used in photovoltaic applications. In 2009, Japanese scientist Miyasaka utilized perovskite materials as light absorbers in dye-sensitized solar cells, achieving a power conversion efficiency of 3.8%. By October 2021, researchers at the Korea Institute of Science and Technology achieved a 25.8% efficiency for single-junction perovskite solar cells.In August 2022, the Chinese Academy of Sciences reported an efficiency of 25.6%. In October 2020, the U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory achieved a 23.1% efficiency for all perovskite tandem solar cells. In December 2020, the UK's Oxford PV set a record with 29.5% efficiency for perovskite/silicon tandem cells. The German Helmholtz Center increased this to 29.8% in November 2021, and by July 2022, Switzerland's EPFL achieved 31.3%.On November 3, 2023, the U.S.-China National Renewable Energy Laboratory (NREL) certified that a perovskite-silicon tandem cell developed by Chinese photovoltaic company Longi Green Energy achieved an efficiency of 33.9%, the highest record for perovskite-silicon tandem cells worldwide.

Branchenbarrieren

1. Technische BarrierenDie 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. MarkenbarrierenDie 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 erklimmenAuch 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

The perovskite solar cell industry chain consists of upstream, midstream, and downstream segments. The upstream segment includes raw materials and equipment, such as perovskite compounds, target materials, TCO glass, and light-absorbing materials. Key equipment includes coating machines, laser machines, deposition equipment, and encapsulation machines. The midstream focuses on perovskite solar cell manufacturing, while the downstream segment involves applications in photovoltaic industries, LED production, catalysts, metal-air batteries, gas-sensing materials, and magnetic cooling materials.

2. Analyse führender Unternehmen

2.1 CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.)Founded in 2011, CATL is one of the leading manufacturers of power batteries in China, focusing on new energy vehicle power systems, energy storage systems, and other applications. Their core technologies cover the entire value chain, from materials and battery cells to system integration and battery recycling. CATL has partnered with several leading domestic automakers and established a strong presence in global markets.In the perovskite solar cell field, CATL views perovskite tandem solar cells as a key future technology and is actively accelerating research and industrialization efforts. They are also advancing pilot-scale production to further their ambitions in the photovoltaic sector.2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.Established in 2000, Longi Green Energy is committed to becoming the world's most valuable solar technology company. The company focuses on technological innovation, offering solutions across monocrystalline silicon wafers, cells, modules, distributed photovoltaic systems, and hydrogen energy. With a brand mission of “making full use of the sun’s rays to create a green energy world,” Longi has become a global leader in high-efficiency silicon-based technology.In November 2022, Longi set a world record for silicon-based solar cell efficiency at 26.81%. By November 2023, Longi’s self-developed Perowskit-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

Currently, emerging perovskite solar cell manufacturers in China are rapidly entering the market, pushing the industrialization of perovskite solar cells forward. The technology is still in its early stages of commercialization, with ongoing iterations in cell structure, material systems, manufacturing processes, and production equipment. Perovskite solar cell manufacturers are actively validating various technical pathways and accelerating the process of mass production. As of 2023, the penetration rate of perovskite solar cells in China stood at 0.2%. As the technology continues to mature, the adoption rate of perovskite solar cells is expected to increase in the future.

Zukünftige Chancen und Herausforderungen

Despite the promising future for perovskite solar cells, several challenges remain for their widespread adoption. One of the main obstacles is the difficulty in achieving long-term stability and reliability, as perovskite solar cells are known to degrade faster than traditional silicon-based cells. Additionally, the cost of perovskite solar cells must be reduced to become competitive with other technologies. Companies must also address the challenges of scaling up production and overcoming regulatory hurdles to ensure that perovskite solar cells are both efficient and affordable.

Vorteile von Perowskit-Solarzellen

Perovskite solar cells offer several significant advantages compared to traditional silicon-based solar cells, making them a promising technology for future energy solutions. Below are some key advantages of perovskite solar cells:

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

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

1. Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV): Perovskite solar cell applications include incorporation into building materials like windows and facades. The cells' transparency and aesthetic appeal make them suitable for BIPV projects.
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

Despite their potential, several challenges for commercializing perovskite solar cells need to be addressed before they can be widely adopted:

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

The 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?

One common question is: are perovskite solar cells commercially available? Currently, only a limited number of perovskite solar cell manufacturers have begun small-scale commercialization. Some companies are offering perovskite solar cells for niche applications such as portable electronics and research purposes. However, widespread adoption for large-scale power generation is still in the early stages due to the challenges mentioned earlier. As technology advances and perovskite solar cell price decreases, commercial availability is expected to expand.

Zukunftsausblick

The future of perovskite solar cells is promising, with ongoing research aimed at overcoming existing barriers and enhancing performance. Continuous efforts to address stability, scalability, and environmental concerns will be crucial for the successful commercialization of perovskite solar cells. As a result, perovskite solar cell manufacturers are investing heavily in research and development, making this technology one to watch in the renewable energy market.

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen?

Understanding how perovskite solar cells work requires a look into their unique structure and the way they convert sunlight into electricity. The process can be summarized in a few key steps:

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.

By optimizing each layer and improving the material quality, researchers are continually pushing the efficiency of perovskite solar cells higher.

Invertierte Perowskit-Solarzellen mit Dimethylacridin-basierten Dotierstoffen

Recent advancements have led to the development of inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants. In conventional perovskite cells, the electrons and holes travel in a particular direction, but inverted structures reverse this configuration. Inverted perovskite solar cells are beneficial for achieving better stability and are easier to integrate into tandem configurations.The addition of dimethylacridine-based dopants enhances the performance of the hole transport layer, increasing the overall efficiency of the cell. This innovation is a step toward solving some of the long-term stability issues of perovskite solar cells.

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.

These perovskite solar cell manufacturers are leading innovation and pushing the industry forward. As research progresses and production scales up, more companies are expected to join the market.

Fazit: Zukunftspotenzial für Perowskit-Solarzellen

The future of perovskite solar cells looks promising as researchers continue to address challenges such as stability and scalability. With their unique properties and potential to combine with existing silicon cells, all perovskite tandem solar cells could soon lead to a new era in solar energy. As the cost of perovskite solar cells decreases and the technology matures, it is expected that these cells will play a key role in the global renewable energy market, providing a more affordable and efficient solution for solar power generation.

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