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.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.

Políticas de la industria

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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Historia de las células solares de perovskita

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.

Barreras de la industria

1. Barreras técnicasEl 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 marcaLa 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 escalaLa 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

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. Análisis de Empresas Líderes

2.1 CATL (Contemporáneo 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 Energía Verde Tecnología 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 célula 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

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.

Oportunidades y desafíos futuros

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.

Ventajas de las células solares de perovskita

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. 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

The Aplicaciones 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): 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. 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

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

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

The estructura 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?

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.

Perspectivas futuras

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.

¿Cómo funcionan las células solares de perovskita?

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. 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.

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

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

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.

Células solares de perovskita flexibles

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.

Fabricantes de células solares de perovskita

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: 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.

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.

Conclusión: potencial futuro para las células solares de perovskita

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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