2024 ¿Están disponibles comercialmente las células solares de perovskita?

Perovskite solar cells are gaining momentum as a new generation of photovoltaic technology due to their high efficiency and low manufacturing cost. With recent advancements in perovskite tandem solar cells, which can achieve over 30% efficiency, the market is witnessing increased interest in adopting these cells. In 2023, the penetration rate of perovskite solar cells in China was only about 0.2%, indicating a small but growing presence. However, ongoing research and supportive industry policies are likely to boost adoption in the coming years.

Células solares de perovskita: definición y clasificación

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.

Hay dos tipos principales de células solares de perovskita: células solares de perovskita de unión simple y en tándem. Una celda de unión simple contiene una estructura simple de "sándwich" de capas de perovskita. Por el contrario, las células solares en tándem de perovskita pueden apilar múltiples capas de perovskita o combinarlas con células tradicionales basadas en silicio para crear una estructura que capture un rango más amplio del espectro solar. Dependiendo de los materiales utilizados, las células en tándem pueden seguir diferentes configuraciones, incluidas las células en tándem de silicio/perovskita, todas las células solares en tándem de perovskita y las células en tándem de película fina/perovskita, como las células en tándem CIGS/perovskita.

Políticas de la industria

En los últimos años, China ha implementado múltiples políticas para fomentar el desarrollo y la innovación de la industria de células solares de perovskita. En enero de 2023, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información, junto con otros cinco departamentos, emitió las “Opiniones orientativas sobre la promoción del desarrollo de la industria electrónica energética”, que proponían el desarrollo coordinado de células solares de perovskita (incluidas las células en tándem de perovskita/silicio). , células de película delgada de silicio amorfo/microcristalino y otras tecnologías de película delgada de alta eficiencia. El objetivo es ampliar los campos de aplicación para incluir componentes BIPV, componentes automotrices y aplicaciones para exteriores.

En marzo de 2024, la Oficina del Gobierno Provincial de Henan publicó el “Aviso sobre la aceleración del avance de las 'seis nuevas' industrias manufactureras”, enfatizando la necesidad de centrarse en el desarrollo de materiales de células fotovoltaicas de silicio cristalino y materiales compuestos de película delgada. Esto incluye silicio monocristalino de gran tamaño, silicio policristalino y tecnologías de película delgada, así como nuevos materiales de células solares de perovskita de alta eficiencia y células de película delgada CIGS. El objetivo es construir una cadena industrial integral que abarque silano, silicio granular, obleas de silicio monocristalino, celdas de batería y centrales eléctricas.

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Historia de las células solares de perovskita

La historia de las células solares de perovskita comenzó en 1839 cuando el científico alemán Gustav Rose descubrió el mineral de perovskita. En 2006, las células solares de perovskita se utilizaron por primera vez en aplicaciones fotovoltaicas. En 2009, el científico japonés Miyasaka utilizó materiales de perovskita como absorbentes de luz en células solares sensibilizadas con colorantes, logrando una eficiencia de conversión de energía del 3,8%. En octubre de 2021, investigadores del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología lograron una eficiencia del 25,8 % para las células solares de perovskita de unión simple.

En agosto de 2022, la Academia de Ciencias de China informó una eficiencia del 25,6%. En octubre de 2020, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables del Departamento de Energía de EE. UU. logró una eficiencia del 23,1 % para todas las células solares en tándem de perovskita. En diciembre de 2020, la planta fotovoltaica de Oxford del Reino Unido estableció un récord con una eficiencia del 29,5 % para células en tándem de perovskita/silicio. El Centro Helmholtz alemán aumentó este porcentaje al 29,8 % en noviembre de 2021, y en julio de 2022, la EPFL de Suiza alcanzó el 31,3 %.

El 3 de noviembre de 2023, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos y China certificó que una celda en tándem de perovskita-silicio desarrollada por la empresa fotovoltaica china Longi Green Energy logró una eficiencia del 33,9%, el récord más alto para células en tándem de perovskita-silicio en todo el mundo. .

Barreras de la industria

1. Barreras técnicas
El desarrollo de células solares de perovskita requiere importantes conocimientos técnicos e investigación a largo plazo. Los nuevos participantes en la industria de las células solares de perovskita enfrentan el desafío de romper con tecnologías críticas y lograr aplicaciones maduras, lo que puede requerir un tiempo y esfuerzo considerables. La investigación y producción de materiales, celdas, módulos, paquetes de baterías y sistemas de gestión de baterías exigen altas capacidades técnicas. Sin dominar estas tecnologías centrales, las empresas tendrán dificultades para producir productos competitivos.

2. Barreras de marca
La industria de las células solares de perovskita tiene altas barreras de entrada a las marcas. Los factores clave que influyen en las elecciones de los clientes incluyen la seguridad, la estabilidad, la coherencia y las capacidades de respuesta rápida del producto. Por lo general, lleva mucho tiempo validar los productos en el mercado y ganarse la confianza del cliente. Las empresas con capacidades generales sólidas y marcas establecidas tienen más probabilidades de ganarse la confianza de los clientes y destacarse en la industria.

3. Barreras de escala
La industria de las células solares de perovskita también enfrenta importantes barreras de escala. La producción a gran escala se beneficia de las economías de escala, lo que brinda a las empresas financieramente sólidas una ventaja significativa en las operaciones de producción y adquisición de materias primas. Además, es necesaria una inversión continua para mantenerse a la vanguardia en el desarrollo tecnológico. Sólo las empresas de gran escala pueden mantener su ventaja competitiva mediante la innovación y la investigación constantes.

Cadena industrial

1. Análisis de la cadena industrial de células solares de perovskita

La cadena industrial de células solares de perovskita consta de segmentos ascendentes, intermedios y descendentes. El segmento upstream incluye materias primas y equipos, como compuestos de perovskita, materiales objetivo, vidrio TCO y materiales absorbentes de luz. Los equipos clave incluyen máquinas de recubrimiento, máquinas láser, equipos de deposición y máquinas de encapsulación. El segmento midstream se centra en la fabricación de células solares de perovskita, mientras que el segmento downstream incluye aplicaciones en industrias fotovoltaicas, producción de LED, catalizadores, baterías de metal-aire, materiales sensores de gas y materiales de enfriamiento magnético.

2. Análisis de Empresas Líderes

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

Fundada en 2011, CATL es uno de los principales fabricantes de baterías eléctricas en China y se centra en sistemas de energía para vehículos de nueva energía, sistemas de almacenamiento de energía y otras aplicaciones. Sus tecnologías principales cubren toda la cadena de valor, desde materiales y celdas de batería hasta la integración de sistemas y el reciclaje de baterías. CATL se ha asociado con varios fabricantes de automóviles nacionales líderes y ha establecido una fuerte presencia en los mercados globales.

En el campo de las células solares de perovskita, CATL considera que las células solares en tándem de perovskita son una tecnología clave para el futuro y está acelerando activamente los esfuerzos de investigación e industrialización. También están avanzando en la producción a escala piloto para promover sus ambiciones en el sector fotovoltaico.

2.2 Longi Energía Verde Tecnología Co., Ltd.

Fundada en 2000, Longi Green Energy tiene el compromiso de convertirse en la empresa de tecnología solar más valiosa del mundo. La empresa se centra en la innovación tecnológica y ofrece soluciones en obleas, células, módulos, sistemas fotovoltaicos distribuidos y energía de hidrógeno. Con la misión de marca de “aprovechar al máximo los rayos del sol para crear un mundo de energía verde”, Longi se ha convertido en un líder mundial en tecnología basada en silicio de alta eficiencia.

En noviembre de 2022, Longi estableció un récord mundial de eficiencia de células solares basadas en silicio con un 26,81%. En noviembre de 2023, el desarrollo propio de Longicélula solar en tándem de perovskitaalcanzó una eficiencia del 33,9%, estableciendo un nuevo récord mundial. En 2023, los ingresos de Longi por módulos y células aumentaron un 16,91 % año tras año, alcanzando los 99.199 millones de RMB, principalmente debido a mayores ventas de módulos solares.

Estado actual de la industria

Actualmente, los fabricantes emergentes de células solares de perovskita en China están ingresando rápidamente al mercado, impulsando la industrialización de las células solares de perovskita. La tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas de comercialización, con iteraciones continuas en la estructura celular, los sistemas de materiales, los procesos de fabricación y los equipos de producción. Los fabricantes de células solares de perovskita están validando activamente diversas vías técnicas y acelerando el proceso de producción en masa. En 2023, la tasa de penetración de las células solares de perovskita en China era del 0,2%. A medida que la tecnología siga madurando, se espera que la tasa de adopción de células solares de perovskita aumente en el futuro.

Oportunidades y desafíos futuros

A pesar del futuro prometedor para las células solares de perovskita, aún quedan varios desafíos para su adopción generalizada. Uno de los principales obstáculos es la dificultad para lograr estabilidad y confiabilidad a largo plazo, ya que se sabe que las células solares de perovskita se degradan más rápido que las células tradicionales basadas en silicio. Además, es necesario reducir el coste de las células solares de perovskita para que sean competitivas con otras tecnologías. Las empresas también deben abordar los desafíos de aumentar la producción y superar los obstáculos regulatorios para garantizar que las células solares de perovskita sean eficientes y asequibles.

Ventajas de las células solares de perovskita

Las células solares de perovskita ofrecen varias ventajas importantes en comparación con las células solares tradicionales basadas en silicio, lo que las convierte en una tecnología prometedora para futuras soluciones energéticas. A continuación se presentan algunas ventajas clave de las células solares de perovskita:

1. Alta eficiencia: La eficiencia de las células solares de perovskita ha aumentado rápidamente en los últimos años, alcanzando más del 25% para las células de unión simple e incluso más para las células solares de perovskita en tándem. Esta rápida mejora es una de las principales razones por las que la tecnología se considera muy atractiva.
2. Bajo costo: Uno de los principales beneficios de las células solares de perovskita es su menor coste de producción. El proceso de fabricación de células solares de perovskita es menos complejo y consume menos energía que el de las células de silicio tradicionales, lo que conduce a precios potencialmente más bajos.
3. Ligero y flexible: Las células solares de perovskita flexibles se pueden producir sobre diversos sustratos, incluidas películas plásticas, lo que las hace ideales para aplicaciones donde el peso ligero y la flexibilidad son cruciales. Esta característica abre nuevas posibilidades para soluciones de energía portátiles y vestibles.
4. Banda prohibida personalizable: La banda prohibida de las células solares de perovskita se puede ajustar ajustando la composición química, lo que les permite capturar un espectro más amplio de luz solar. Esta propiedad es especialmente beneficiosa para crear células solares en tándem de perovskita de alta eficiencia.

Aplicaciones de las células solares de perovskita

ÉlAplicaciones de las células solares de perovskita.ir más allá de las instalaciones solares convencionales en tejados. Su versatilidad permite la integración en una amplia gama de entornos:

1. Energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV): Las aplicaciones de células solares de perovskita incluyen su incorporación a materiales de construcción como ventanas y fachadas. La transparencia y el atractivo estético de las celdas las hacen adecuadas para proyectos BIPV.
2. Dispositivos portátiles y usables: La naturaleza liviana de las células solares de perovskita flexibles las hace ideales para dispositivos electrónicos de pequeña escala, como cargadores portátiles, dispositivos portátiles y sensores.
3. Industria automotriz: Las células solares de perovskita se pueden integrar en vehículos para proporcionar energía adicional para la electrónica de a bordo o incluso cargar parcialmente vehículos eléctricos.
4. Aplicaciones espaciales: Debido a sus propiedades livianas y de alta eficiencia, se está explorando el uso de células solares de perovskita en paneles solares espaciales.

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Desafíos para la comercialización de células solares de perovskita

A pesar de su potencial, es necesario abordar varios desafíos para la comercialización de células solares de perovskita antes de que puedan adoptarse ampliamente:

1. Problemas de estabilidad: Un desafío importante para los fabricantes de células solares de perovskita es garantizar la estabilidad a largo plazo en condiciones del mundo real. La exposición a la humedad, el oxígeno y la luz ultravioleta puede degradar los materiales celulares y afectar su vida útil.
2. Escalabilidad: La transición de la producción a escala de laboratorio a la fabricación a gran escala es una tarea compleja. Mantener la alta eficiencia de las células solares de perovskita mientras se aumenta la producción es un obstáculo clave.
3. Preocupaciones por la toxicidad: El uso de plomo en células solares de perovskita plantea preocupaciones medioambientales y de salud. Los investigadores están trabajando para desarrollar alternativas sin plomo, pero aún no pueden igualar el rendimiento de las celdas de perovskita tradicionales.
4. Costo de las células solares de perovskita: Aunque las células solares de perovskita son más baratas de producir que las de silicio, el precio general de las células solares de perovskita debe disminuir aún más para una adopción generalizada en el mercado.

Estructura de las células solares de perovskita

Élestructura de las células solares de perovskitaEs relativamente simple en comparación con las células de silicio tradicionales. Por lo general, incluye una capa absorbente de perovskita intercalada entre dos capas de transporte:

1. Capa de transporte de electrones (ETL): Esta capa ayuda a transferir los electrones generados en la capa de perovskita al circuito externo.
2. Capa de perovskita: La capa de perovskita es el corazón de la célula, donde se produce la absorción de luz y la generación de pares de huecos de electrones. Esta capa se puede personalizar para optimizar el rendimiento de la celda.
3. Capa de transporte de agujeros (HTL): Esta capa recoge los agujeros (portadores de carga positiva) y los transfiere al circuito.
4. sustrato: Toda la celda suele estar construida sobre un sustrato, que puede ser rígido (vidrio) o flexible (plástico), según la aplicación.

¿Están disponibles comercialmente las células solares de perovskita?

Una pregunta común es: ¿están disponibles comercialmente las células solares de perovskita? Actualmente, sólo un número limitado de fabricantes de células solares de perovskita han comenzado la comercialización a pequeña escala. Algunas empresas ofrecen células solares de perovskita para aplicaciones específicas, como electrónica portátil y fines de investigación. Sin embargo, la adopción generalizada de la generación de energía a gran escala aún se encuentra en las primeras etapas debido a los desafíos mencionados anteriormente. A medida que avanza la tecnología y disminuye el precio de las células solares de perovskita, se espera que aumente la disponibilidad comercial.

Perspectivas futuras

El futuro de las células solares de perovskita es prometedor y hay investigaciones en curso destinadas a superar las barreras existentes y mejorar el rendimiento. Los esfuerzos continuos para abordar la estabilidad, la escalabilidad y las preocupaciones ambientales serán cruciales para la comercialización exitosa de las células solares de perovskita. Como resultado, los fabricantes de células solares de perovskita están invirtiendo mucho en investigación y desarrollo, lo que convierte a esta tecnología en una tecnología a tener en cuenta en el mercado de las energías renovables.

¿Cómo funcionan las células solares de perovskita?

Comprender cómo funcionan las células solares de perovskita requiere observar su estructura única y la forma en que convierten la luz solar en electricidad. El proceso se puede resumir en unos pocos pasos clave:

1. Absorción de luz: Cuando la luz solar incide sobre la célula solar de perovskita, la capa de perovskita absorbe fotones, que luego excitan los electrones del material, creando pares electrón-hueco (también conocidos como excitones).
2. Separación de carga: Los excitones se separan en electrones libres y huecos, que son recogidos por las capas de transporte de electrones y huecos. La capa de transporte de electrones (ETL) transfiere electrones al electrodo, mientras que la capa de transporte de huecos (HTL) dirige los huecos al electrodo opuesto.
3. Cobro de cargos: Los electrones y huecos separados se mueven hacia sus respectivos electrodos, creando una corriente eléctrica. Esta corriente luego se puede utilizar para alimentar dispositivos externos.
4. Conversión de energía: La electricidad generada es corriente continua (CC), que se puede convertir en corriente alterna (CA) para usar en la mayoría de las aplicaciones residenciales y comerciales.

Al optimizar cada capa y mejorar la calidad del material, los investigadores aumentan continuamente la eficiencia de las células solares de perovskita.

Células solares de perovskita invertida que utilizan dopantes a base de dimetilacridina

Los avances recientes han llevado al desarrollo de células solares de perovskita invertida que utilizan dopantes a base de dimetilacridina. En las celdas de perovskita convencionales, los electrones y los huecos viajan en una dirección particular, pero las estructuras invertidas invierten esta configuración. Las células solares de perovskita invertida son beneficiosas para lograr una mejor estabilidad y son más fáciles de integrar en configuraciones en tándem.

La adición de dopantes a base de dimetilacridina mejora el rendimiento de la capa de transporte de huecos, aumentando la eficiencia general de la célula. Esta innovación es un paso hacia la solución de algunos de los problemas de estabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita.

Células solares de perovskita flexibles

Las células solares de perovskita flexibles son una tecnología innovadora que se puede utilizar en aplicaciones donde los paneles solares rígidos tradicionales no son adecuados. Al utilizar sustratos flexibles, como plástico o láminas metálicas finas, estas células se pueden doblar, enrollar o incluso plegar sin perder eficiencia. Esto los hace ideales para soluciones de energía portátiles, tecnología portátil y superficies curvas como los techos de los automóviles.

El principal desafío para las células solares de perovskita flexibles es mantener la estabilidad y el rendimiento bajo tensión mecánica. Sin embargo, la investigación en curso se centra en mejorar la durabilidad y la vida útil de estas células flexibles, lo que las convierte en una opción prometedora para futuras soluciones energéticas.

Fabricantes de células solares de perovskita

Actualmente, hay algunos fabricantes clave de células solares de perovskita que lideran la comercialización de esta tecnología. Algunos de los principales fabricantes de células solares de perovskita incluyen:

1. Oxford PV: Empresa con sede en el Reino Unido que se especializa en células solares en tándem de perovskita. Oxford PV ha establecido múltiples récords de eficiencia y ahora se centra en aumentar la producción para uso comercial.
2. Tecnologías Saulé: Una empresa polaca pionera en células solares de perovskita flexibles. Saule Technologies tiene como objetivo llevar las células solares de perovskita a una variedad de aplicaciones, desde energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) hasta electrónica portátil.
3. GCL-Poly Energy Holdings: Empresa china que participa activamente en la investigación y el desarrollo de células solares de perovskita. GCL está invirtiendo en instalaciones de producción a gran escala y planea ingresar al mercado comercial en los próximos años.
4. Hunt Tecnologías de perovskita: Con sede en los Estados Unidos, Hunt Perovskite Technologies está trabajando para superar los problemas de estabilidad de las células solares de perovskita y tiene como objetivo llevar esta tecnología al mercado norteamericano.

Estos fabricantes de células solares de perovskita están liderando la innovación e impulsando la industria hacia adelante. A medida que avanza la investigación y aumenta la producción, se espera que más empresas se unan al mercado.

Conclusión: potencial futuro para las células solares de perovskita

El futuro de las células solares de perovskita parece prometedor a medida que los investigadores continúan abordando desafíos como la estabilidad y la escalabilidad. Con sus propiedades únicas y su potencial para combinarse con las células de silicio existentes, todas las células solares en tándem de perovskita pronto podrían conducir a una nueva era en la energía solar. A medida que el costo de las células solares de perovskita disminuya y la tecnología madure, se espera que estas células desempeñen un papel clave en el mercado mundial de energía renovable, proporcionando una solución más asequible y eficiente para la generación de energía solar.